尾砂胶结充填体内不同锚杆长度支护模拟分析

2013-05-05周建华曹宗权邓晓平

采矿技术 2013年1期

周建华，高忠，曹宗权，邵海，王明，曾鹏，邓晓平

（1.江西铜业集团武山铜矿，江西瑞昌市 332204；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341000）

锚杆在改善采场稳定性方面具有积极作用，但不同的锚杆长度对采场的稳定性造成何种影响尚不知晓，如锚杆长度的增加可以提高锚固力，带来积极效果，但同时也降低了锚杆的刚度，降低锚杆的平均应力，导致无法充分发挥其锚固作用。同时，支护长度选取不合理，导致锚杆作用未能充分发挥，这造成支护材料浪费、增加支护成本。因此，通过FLAC3D模拟软件的方法研究充填体内锚杆长度对采场稳定性的影响是很有必要的。

1 不同锚杆长度支护模拟试验

模型的几何尺寸可根据计算目的及采矿工艺确定。本算例中，根据工程实际可首先确定断面尺寸为4m×3m（宽×高），由于地下局部开挖对其周围3～5m范围内有影响，因此设计进路上、下、左、右模拟介质的尺寸为进路尺寸的5倍。考虑进路长度远远大于进路的宽度及高度，因此可将本算例视为平面应变问题，模型几何尺寸为44m×33m。

计算模型的尺寸确定后，还要确定计算网格的数目。此数值模拟主要考虑在不同锚杆长度锚固下充填体顶板在竖直方向的位移变化，故网格在竖直方向进行了加密处理，采用的网格数目为44×66，即在竖直方向上每0.5m划分一个单元，水平方向每1m划分一个单元。模型在竖直方向从上至下分为上覆围岩层、充填体层、矿层3个主要分层，为了提高模拟的精确性，充填体层由3个分层组成，每个分层均模拟了灰砂比1∶4及灰砂比1∶8的充填体。由于竖直方向上具有多个分层（矿体、1∶4充填体、1∶8充填体），为不影响计算精度，模型单元采用等分划分，即每个单元大小相等。计算模拟的几何形态及单元划分如图1所示，共建立11616个结构单元和15075个节点单元。在本次计算模拟中，分别模拟了6种不同的锚杆长度：1.4，1.8，2，2.4，2.5，2.7m，锚杆直径8mm，间距1.6m，分析不同锚杆长度下进路开挖后采场变形量，评价充填体顶板的稳定性。

图1 仿真模型示意

2 数值模拟试验分析

在本次计算模拟中，分别模拟了6种不同的锚杆长度，并且通过分析顶板沉降值来评价采场的稳定性，其位移云图如图2所示，不同锚杆长度的最大位移监测值见表1。

监测结果分析如下。

（1）从图2及表1中可以看出，顶板最大变形量随着锚杆长度的增加而逐渐降低。锚杆长度从1.4m增大至1.6m，顶板最大变形量降低了0.428 mm，顶板变形降幅高达3.3%，这是由于锚杆长度较小，仅对灰砂比1∶4的充填体有锚杆效果，而无法增强充填体的整体稳定性，造成充填体顶板大幅度下降，严重威胁采场的安全性。因而，在工程实际中应避免锚杆过小的情况。

图2 不同锚杆长度下采场位移云图

表1 不同锚杆长度的最大位移监测值

（2）锚杆长度继续增大，顶板变形逐渐趋于稳定，锚杆长度从1.6m至1.8m，顶板变形降低了0.087mm，而当锚杆长度从2m增大至2.2m时，顶板变形仅降低了0.028mm，这对工程实际中顶板的安全性影响微乎其微。锚固长度的增加导致结合面上单位面积承载力的下降。当锚固体长度超过某值（此值与地层种类有关），锚固长度的增加几乎无助于承载力的提高。

（3）由锚杆长度与最大位移监测值关系得拟合方程y＝82.3784e－3.7663x＋12.4537，y代表顶板最大位移值，x代表锚杆长度。

（4）上述分析表明，锚杆长度影响顶板充填体的变形。当锚杆长度没有超过灰砂比1∶4充填体的厚度时，锚杆的锚杆效果将会大幅度降低；锚杆长度超过1∶4充填体厚度后，锚杆效果将逐渐趋于稳定。工程应用中太长的锚杆将增加采矿成本。由于在实际工程应用中回采进路的尺寸大小有一定的差别，因此锚杆长度的确定需根据回采进路的高度而定，根据研究确定锚杆的长度为进路高度的55%～65%时，对顶板充填体的变形控制可达到理想的效果。