锚杆支护影响因素分析

王新香

（山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030045）

锚杆支护影响因素分析

王新香

（山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030045）

通过数值模拟方法，研究了煤巷锚杆支护效果，分析了地应力、围岩强度、围岩结构、巷道断面对锚杆支护效果的影响，对锚杆支护设计提供借鉴。

锚杆数值模拟；地应力；围岩强度；支护效果

锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，广泛用于各种围岩条件下的巷道，但是由于不同的巷道围岩条件对锚杆支护的影响不同，因此有必要对围岩条件对锚杆支护效果的影响进行分析，以优化不同巷道的支护方式。本文通过数值模拟方法，研究不同围岩条件对锚杆支护效果的影响。

1 FLA C软件简介

FLAC3.3软件是用于工程力学计算的二维显式有限差分程序，可模拟土、岩石等材料的力学行为。该程序采用显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。FLAC3.3内部含有多个力学模型（例如摩尔-库仑模型、应变硬化/软化模型、节理模型、双屈服模型等）用以模拟高度非线性、不可逆等地质材料的变形特征。还有多种特殊功能：含有界面单元，模拟岩层中不连续面（例如断层、节理、层理等滑动和离层）；含有四种结构单元，（分别为梁、锚杆、桩、支柱单元)；可以模拟各种支护构件。锚杆单元是一维轴向单元，在一定拉力下屈服。锚固方式可以是端锚、全长锚固、任意长度锚固，这种单元还可施加预紧力。

2 数值模拟方案

模型选取埋深300 m的煤层巷道，为研究对象进行分析。方案一：对不同垂直、水平应力下的巷道进行模拟。方案二：对不同煤层强度下的巷道进行模拟。方案三：对不同围岩强度下的巷道进行模拟。方案四：对不同尺寸的巷道进行模拟。

3 锚杆支护影响因素的数值模拟分析

3.1 地应力对锚杆支护的影响

原岩应力是影响锚杆支护巷道围岩变形和破坏的一个关键因素。垂直应力与围岩位移的关系，见图1，随着垂直应力增加，巷道围岩变形和破坏范围急剧增加。侧压系数（水平应力与垂直应力的比值）与巷道变形量的关系，见图2。随着侧压系数的增加，顶板下沉量和两帮移近量都在显著增加。

图1 垂直应力与巷道变形量的关系

图2 水平应力与巷道变形量的关系

总之，随着垂直应力或水平应力的增加，巷道围岩位移和破坏范围都显著增加，而且呈非线形关系，原岩应力是锚杆支护的关键影响因素之一。

3.2 煤层强度对锚杆支护的影响

选择不同的煤层强度进行模拟。煤层强度与巷道变形量的关系见图3，随着煤层强度的增加，顶板下沉量、两帮移近量急剧降低；当煤层强度增加到一定程度后，这种变化趋于平缓。因煤层强度的不同，巷道围岩变形和破坏状况有很大差别。

3.3 围岩结构对锚杆支护的影响

围岩结构强度对巷道变形影响十分显著，见图4，结构强度越低，变形量越大；当结构强度增加到一定程度，对围岩变形的影响不明显。在结构强度低的状态下，顶板层理之间产生了显著离层，两帮整体挤出比较严重。当围岩结构强度很高时，层理间没有发生离层，两帮整体挤出不明显。可见，围岩结构对巷道稳定性有显著的影响。

图3 煤层强度与巷道变形量的关系

图4 围岩结构与巷道变形量的关系

3.4 巷道断面对锚杆支护的影响

巷道宽度和高度与变形量的关系见图5和图6。随着巷道宽度增加，顶板下沉量不断增加，之后趋于平缓，最后有所降低。两帮移近量随巷道宽度增加而不断增大。巷道高度对变形量也有一定影响，随着高度增加，顶板下沉量不断增加；当高度超过一定数值，下沉量有所降低。两帮移近量整体上随巷道高度增加而增加。但是，巷道尺寸对变形量的影响程度，远没有原岩应力、煤层强度、围岩结构明显。

图5 巷道宽度与巷道变形量的关系

图6 巷道高度与巷道变形量的关系

4 结论

通过以上分析得出以下结论：1）随着垂直应力或水平应力的增加，巷道围岩位移和破坏范围都显著增加，而且呈非线形关系。2）随着煤层强度的增加，顶板下沉量、两帮移近量急剧降低，当煤层强度增加到一定程度后，这种变化趋于平缓。3）围岩结构强度对巷道变形影响十分显著，结构强度越低，变形量越大。当结构强度增加到一定程度，对围岩变形的影响不明显。4）随着巷道宽度、高度增加，巷道变形量不断增加，之后趋于平缓，但是，巷道尺寸对变形量的影响程度远没有应力、强度、围岩结构明显。

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[3]杨新安.软岩巷道锚注支护机理与技术研究[D].中国矿业大学博士学位论文，1995.

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[5]侯朝炯，等.煤巷锚杆支护[M].北京：中国矿业大学出版社,1999.

Abstract:By numerical simulation,the paper studies the bolt support effect and analyzes the influence caused by ground stress,surrounding rock strength and structure,and cross-section of roadway,which can be useful for bolt support designs.

Keywords:bolt numerical simulation;ground stress;strength of surrounding rock;supporting effect

编辑：徐树文

Analysis of Influential Factors on Bolt Support

WANG Xin-xiang

（Shanxi Coal Design Institute,Taiyuan Shanxi 030045,China）

TD353+.6

A

1672-5050（2010）08-0063-03

2010-05-10

王新香（1967—），男，山西大同人，本科，工程师，主要从事煤矿设计规划工作。