组合岩层端锚锚杆预应力场分布规律模拟研究

周逸群 ，林 健 ，王正胜，杨建威

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

组合岩层端锚锚杆预应力场分布规律模拟研究

周逸群1，2，林 健1，2，王正胜1，2，杨建威1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

在不考虑原岩应力的条件下，通过有限差分数值模拟软件FLAC3D，对软硬岩层不同组合条件下锚杆预应力场分布规律进行数值模拟研究。结果表明，在软岩和硬岩中，较高的连续压应力分布范围基本一致，但锚杆产生的压应力由软岩层向硬岩层方向传递的效果要明显优于压应力由硬岩向软岩传递的效果。现场支护中，可通过施加高预紧力来扩大锚杆支护有效压应力区范围；同时可调整锚固段或锚杆长度，使结构面位于压应力较高的有利位置，避免锚杆因水平应力的影响出现剪断或离层现象。

组合岩层；预应力场；分布规律；端部锚固

支护应力场是指支护在围岩中形成的应力场与支护体内部产生的应力场[1]。锚杆支护预应力场是通过对锚杆施加预紧力而在围岩中产生的应力场，其核心是预应力在锚固围岩体内的扩散范围与分布规律。研究锚杆支护预应力场是弄清围岩体与锚杆相互作用的基础，对进一步深化煤巷锚杆支护机理[2]，实现煤矿巷道锚杆支护较准确设计，满足生产和安全要求具有重要意义。

锚杆支护预应力场的分布与锚杆施加的预紧力、锚杆杆体参数、支护密度、支护时机、安装角度、锚固方式、组合构件等有关。针对上述各因素，学者们通过数值模拟和相似模拟试验做了大量研究[3-5]。此外，锚杆支护预应力场除与锚杆相关参数有关，还与被锚固围岩的力学参数和结构有关。其中力学参数包括抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等；结构包括围岩中的结构面、节理裂隙等。

煤炭开采地层多数为沉积岩，在沿顶煤掘进时其顶板多为层状顶板，由软硬不同岩层及结构面组合而成[6]。锚杆锚固围岩的过程中，存在杆体穿过两层或多层不同组合岩层的情况。当前关于锚杆支护预应力场的研究，其锚固围岩主要为单一种类岩层。关于组合岩层支护应力场的研究，主要集中在分析围岩支护前后整体的受力情况，突出锚杆支护的加固作用，未详细分析锚杆支护预应力场在不同岩层组合条件下的分布范围和软硬交界面的传递规律。本文拟在已有的锚杆支护预应力场的研究基础上，通过有限差分数值模拟软件FLAC3D，对软硬不同条件下组合岩层锚杆端部锚固支护预应力场分布规律进行数值模拟研究，探究锚杆支护预应力场在不同岩层组合条件下的分布范围和软硬交界面的传递规律。

1 数值模拟

为了研究锚杆支护预应力场在软硬不同条件下岩层中的分布规律，在不考虑原岩应力的条件下对组合岩层锚杆支护端部锚固支护应力场进行数值模拟。

1.1 数值模拟模型建立

围岩本构模型采用莫尔-库伦模型，用FLAC3D内置桩(pile)单元模拟锚杆，pile单元同时具备梁(beam)单元和锚索(cable)单元的作用，特别适用于模拟法向和轴向都有摩擦作用的支护构件[7]。在现场组合岩层中，水平应力是很重要的一个因素[8-10]，使用桩单元既可以对零应力条件下锚杆轴向的预应力进行模拟，同时可用于进一步研究实际受力状态下的围岩应力。模拟过程中，在打设锚杆位置创建2个pile单元，将锚杆尾部pile单元与周围网格建立刚性连接即可模拟锚杆托盘的作用[11-12]。建立3m×2m×2m(长×宽×高)的长方体模型，在其一端中部打设直径22mm，长度2.4m，锚固长度600mm的锚杆，模拟其支护预应力场的分布规律。根据不同的组合形式，提出6种方案，具体组合方式见表1。

表1 组合岩层模拟模型

1.2 数值模拟相关参数

煤矿组合岩层由软硬不同岩层及交界面组合而成。其软硬差异主要表现为强度与弹性模量的差异。在煤矿井下顶板岩层中，常见的软岩层主要有煤、泥岩、泥质粉砂岩、泥质细砂岩、页岩等，单轴抗压强度通常在25MPa以下，且随时间推移，岩石出现软化与风化，导致强度明显降低。常见的硬岩层如石灰岩、砂岩、粉砂岩、硅质砾岩、钙质砾岩等，其单轴抗压强度通常在30MPa以上甚至更高[13-15]。根据井下常见情况选取组合岩层参数见表2。

选取锚杆相关物理力学参数要保证锚杆支护系统可靠，其中杆体模拟煤矿常用的左旋无纵肋500号高强螺纹钢锚杆。锚杆杆体屈服强度500MPa，可以很好地保证锚杆在施加预紧力时杆体处于弹性变形阶段。对于树脂锚固剂的物理力学参数选取，要使树脂锚固剂固化后有较高的黏结力，保证锚杆有足够的锚固力；同时要使锚固剂固化后有较高的变形模量，使锚杆锚固段有较高的刚度[16]。参考树脂锚固剂力学性能要求选取锚固界面剪切强度35MPa，树脂锚固剂弹性模量16GPa。锚杆支护模拟参数具体见表3。

表2 组合岩层围岩力学参数

表3 锚杆相关物理力学参数

1.3 数值模拟结果分析

通过对模型进行数值模拟，并沿打设锚杆方向进行切片，得到软硬不同条件下锚杆支护应力场云图，锚杆托板位置位于云图下端。

1.3.1 单一岩层锚杆支护预应力场分布规律

单一岩层锚杆支护预应力场如图1所示。从图中可以看出，无论软岩还是硬岩，其支护应力分布规律基本一致。由于锚杆预紧力的施加，在围岩中形成了连续的压应力分布区。在锚杆施加预紧力的过程中，其杆体所受拉力作用在锚杆上端锚固段位置，使锚固段周围围岩受到拉力作用，形成一个拉应力集中区(III区)。锚杆上端锚固段及附近围岩作为一个整体向其下方围岩传递压力，在托板上方出现一个压应力集中区(I区)、在锚固段下方的锚杆自由段附近出现一个压应力集中区(II区)，整体呈现“两压一拉”的应力集中区格局。

对比单一软岩层与单一硬岩层的应力场分布范围，软岩中低于0.05 MPa的压应力分布范围稍大于硬岩。二者高于0.05MPa的压应力分布范围基本一致。

对比二者应力集中区的数值，软岩在压应力集中区的最大值高于硬岩。以托板压应力集中区为例：软岩层在其应力中心0.1m范围内出现了0.45～0.5MPa的压应力，而在硬岩中其压应力中心0.1m范围压应力为0.3MPa。

图1 单一岩层锚杆支护沿锚杆轴向预应力场

1.3.2 两层组合岩层锚杆支护预应力场分布规律

两层组合岩层锚杆支护预应力场如图2所示。从图2可知，同单一岩层相比，由于组合岩层软硬交界面的存在，阻碍了围岩中压应力分布的连续性：两种组合岩层中0.05MPa应力等值线范围较单一岩层均显著变小，交界面附近难以形成较高的应力连续区。

两个不同锚杆穿层方向对比，在托板压应力集中区处软岩的应力值仍高于硬岩，就压应力分布范围而言，软-硬岩层压应力区总体分布范围大于硬-软岩层，即软岩到硬岩在锚杆托板压应力的传递效果上优于硬岩到软岩。

图2 两层组合岩层锚杆支护沿锚杆轴向预应力场

1.3.3 三层组合岩层锚杆支护预应力场分布规律

从图3可以看出，对于三层组合岩层，硬-软-硬组合岩层压应力不连续更加明显。其0.04MPa压应力难以传递过软硬交界面，但软-硬-软组合岩层中应力扩散效果较好，其原因主要有两点：一是软-硬-软组合岩层托板压应力区扩散范围大于硬-软-硬组合岩层；二是由于软-硬-软组合岩层锚杆自由段上方的压应力区有效扩散，并能与托板压应力区有效结合，形成了0.04MPa大范围压应力连续区域，而硬-软-硬组合岩层自由段处压力集中区范围较小。通过三层组合岩层可发现锚杆支护中由软到硬的应力传递优势较由硬到软更加明显。

2 组合岩层锚杆支护预应力场分布规律比对分析

从上述对组合岩层锚杆支护预应力场的分析中可以发现，锚杆支护预应力由软岩层向硬岩层方向传递的效果要明显优于应力由硬岩向软岩传递的效果。

图3 三层组合岩层锚杆支护沿锚杆轴向预应力场

如图4所示，通过分析软-硬-软及硬-软-硬岩层沿锚杆轴向位移：由于软岩层与硬岩层刚度不同，其抵抗变形的能力具有明显差异。软岩由于刚度低，其抵抗变形的能力弱，在受压状态下其变形远大于硬岩变形，且变形在软硬交界面处的分布具有一定梯度，产生了相较于硬岩更加明显的微挠曲，即锚杆支护中软硬岩交界面之间的力并非均布力。应力由软岩向硬岩传递时，变形由交界面中心向外具有明显的梯度，更易形成较为集中的应力向硬岩方向传递。而应力由硬岩向软岩传递时，其变形在交界面处位移变化小，其在交界面应力传递相对均匀。分散了集中的高预紧力，降低了应力传递效果。

图4 三层组合岩层沿锚杆轴向位移

4 主要结论及建议

(1)无论单一岩层或是组合岩层，其支护预应力场分布规律基本一致，在锚杆整体范围内呈现“两压一拉”的应力集中区格局。在软岩和硬岩中，较高的连续压应力分布范围基本一致，未因强度或弹性模量的差异而导致围岩支护应力场的分布范围出现显著差异。但软岩在托板压应力集中区的峰值高于硬岩。

(2)组合岩层锚杆支护中，由于软硬围岩刚度不同导致在软硬交界面处位移变形梯度不同，锚杆产生的压应力由软岩层向硬岩层方向传递的效果要明显优于压应力由硬岩向软岩传递的效果。压应力集中区越接近软硬交界面时，此效应越明显。

(3)在组合岩层中，结构面是阻碍锚杆支护应力传递的主要因素，一方面可以通过施加高预紧力，扩大有效压应力区范围；另一方面可通过调整锚固段或锚杆长度，使结构面位于压应力较高的有利位置，避免锚杆因水平应力的影响出现剪断或离层现象。

(4)上述结论是在特定模型条件下通过数值模拟得出的，接下来将进一步通过相似模拟得到实测数据进行比对验证。

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StudyonPrestressFieldDistributionLawofEndAnchoringRockBoltinCombinationRock

ZHOU Yi-qun1，2，LIN Jian1，2，WANG Zheng-sheng1，2，YANG Jian-wei1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Rock bolt prestress field distribution law in different combination situation soft and hard were studied with numerical simulation by FLAC3Dwithout regard to In-situ stress.The results showed that，in soft and hard rock，the continuous higher compressive stress scope was almost similar，but the transitive effect that from soft rock to hard rock was more preceded than from hard rock to soft rock，but the effectively compressive stress scope of rock bolt supporting could be improved by applied large prestress in field，and anchoring length and rock bolt length could be adjusted at the same time，structural face located at some favorable position where compressive stress was high，shearing failure and separation could be avoided as horizontal stress.

combination rock；prestress field；distribution law；end anchoring

2017-07-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.011

国家自然科学基金联合基金项目(U1261211)

周逸群(1993-)，男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事巷道掘进与支护的研究工作。

周逸群，林 健，王正胜，等.组合岩层端锚锚杆预应力场分布规律模拟研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：46-49，33.

TD322

A

1006-6225(2017)06-0046-04

林健]