不同锚索参数对预应力场影响的数值模拟研究

2018-08-02陈新宇

机械管理开发 2018年7期

陈新宇

（阳煤集团碾沟煤业有限公司，山西清徐 030400）

引言

锚索支护被广泛应用于矿井巷道围岩控制中，锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加预应力较大的特点。传统的锚索支护理论认为锚索主要作用是将上部稳定岩层与下部不稳定岩层连接起来，起悬吊作用。因此，选取锚索时主要要求：锚索长度超过稳定岩层厚度；锚索能够保证悬吊住下部不稳定岩层的重量，而对于锚索的其他参数没有具体的要求。目前学者对锚索支护作用机理深入研究发现，锚索不仅起到悬吊的作用，而且可以在围岩中形成支护应力场，对围岩起到有效的控制，阻止了围岩变形破坏，保证了围岩的安全稳定性。锚索的长度及预应力在其中起到了决定性作用，因此，正确对锚索参数进行选取，能保证巷道围岩稳定，对矿井安全高效生产具有十分重要的意义。

1 工程概况

某煤矿现主采3号煤层，采用综采放顶煤开采工艺，煤层厚度平均为6 m，煤层倾角6°～10°，平均8°，煤质为贫煤，采空区顶板自由垮落。巷道埋深300 m左右，直接顶为7.2 m厚的砂质泥岩，老顶为13 m厚的中粒砂岩，直接底为20 m厚的砂岩和砂纸泥岩。现对2105回风巷锚索参数进行数值模拟研究。该巷道使用全锚索支护，巷宽4.6 m，高3.6 m。本次模拟分别对该矿不同锚索长度和预紧力的支护效果进行研究。模拟方案如下：不同锚索长度（4 300 mm、6 300 mm、8 300 mm）对支护效果影响和不同锚索预紧力（100 kN、150 kN、200 kN、250 kN）对支护效果影响。

2 数值模型的建立

一般分析锚杆与锚索支护作用的模型，是在原岩应力状态下开挖巷道，然后安装锚杆与锚索，巷道周围应力状态重新分布，围岩发生变形与破坏，锚杆与锚索受力、变形。但是，由于围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大得多，因此，锚杆与锚索支护在围岩中产生的应力场被完全覆盖，无法进行分析与研究。为此，本部分数值模拟将在不考虑原岩应力，即在零原岩应力场条件下，分析全锚索支护方式中锚索长度和预应力引起的应力场分布特征与影响因素。

数值模拟水平方向长为200 m，垂直方向高为100 m，宽为50 m，模型上部上覆岩层重量取3 MPa，共建立网格的数量为239 580个。模型岩层划分地质柱状图，假设各岩层为均质、各向同性材料。模型底部固支，侧面设置水平位移，数值计算模型如图1所示。

图1 2105回风巷数值模型整体图

3 不同锚索长度对预应力场的影响

下页图2是不同锚索长度的预应力场分布，锚索预应力为200 kN。

由下页图2模拟结果分析发现：

1）随着锚索长度增加，有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加，表明锚索主动支护作用的范围不断扩大，但在宽度方向上变化不明显，而且随着锚索长度增加有减小的趋势[1-2]。

图2 不同锚索长度时预应力场分布

2）随着锚索长度增加，锚索中部及以上部分的压应力逐步减小，表明锚索对中部及上部围岩的支护作用不断减小；

3）随着锚索长度增加，两锚索之间中部围岩的压应力逐步减小，表明锚索对其间围岩的支护作用不断减小。

可见，在预应力一定的条件下，锚索长度的选择应根据顶板岩层条件及地应力大小综合考虑，在锚固端锚固在稳定岩体内部后，锚索的长度不宜过长，可以通过提高预应力的方式来适当缩短锚索长度[3]。

4 不同锚索预应力对预应力场分布特征的影响

模拟锚索预应力从100～150 kN（间隔50 kN）形成的应力场分布，在此，将锚索预应力在围岩中形成的应力场称为锚索预应力场。图3是锚索预应力分别为100～150 kN时巷道围岩的预应力场分布。

图3 不同锚索预应力时应力场分布

从图3模拟结果可以看出，由于锚索的长度远大于锚杆，当锚索预应力为100 kN时，顶板和两帮锚索预应力都未能扩散到锚索整个长度范围，顶部锚索仅在锚索锚固段附近和锚索尾部1 m范围内预应力扩散较为良好，且岩体内部压应力值较低。当预应力为150 kN时，顶板两根锚索之间煤岩体内压应力值仅为0.1～0.13 MPa。当锚索预应力增加到200 kN时，顶板两根锚索之间煤岩体内压应力值可以达到0.3 MPa，且压应力扩散范围在长度方向为锚索整个长度范围内。当锚索预应力值从200 kN增大到250 kN时，岩体内部压应力扩散范围相差不大，顶板两根锚索之间煤岩体内压应力值增加速度逐渐趋于缓慢，预应力为250 kN时，顶板两根锚索之间煤岩体内压应力值为0.35 MPa。因此在2105回风巷中，4.3 m长锚索的预应力选择为200 kN。由于6.3 m长锚索长度较大，考虑到锚索长度越大，预应力损失越大，预应力值初步设计为250 kN[4-5]。