对穿锚杆预留变形量对支护体强化特征研究

韩龙飞,孙海军

(河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

现阶段随着煤炭开采的大规模进行，开采深度越来越大，深部开采带来的高应力对巷道围岩的稳定具有极大的威胁.而回采巷道约占生产矿井总井巷工程量的90%,一旦煤岩巷道发生大变形，将严重制约煤矿深部的安全以及高效开采[1].深部煤炭开采面临的高应力煤岩巷道的支护难度大，是影响深部煤炭安全与高效开采的技术难题[2,3].煤矿深部高应力巷道的变形是在当前支护水平及支护成本下无法完全控制的，锚杆的使用常以对穿锚固为主，此类情况下的对穿锚杆采用让压锚固方式较为合适，以此对巷道进行卸压[4-6].在此背景下，本文针对回采巷道中煤岩巷道的让压支护(对穿锚杆预留变形量)进行研究，以便后续研究新形势下深部煤炭开采所需的应用技术.

1 试验设计

此次所采用模具的尺寸为200×150×200 mm，锚杆使用304不锈钢螺纹杆，直径3 mm、长250 mm.垫片为直径10 mm、厚1 mm的不锈钢材质，螺母为直径6 mm的不锈钢材质.通过查阅文献确定材料配比试验，得出合适的材料试件，试验共分24种配比，采用的材料有水、建筑石膏粉、高强石膏粉、325水泥、425水泥、细河砂，设计的具体配比方案如表1.

图1 无支护及支护受载过程

由于加入水泥后发现试件硬度过大，尤其是10号试件，只有水泥跟细河砂做成的试件硬度过大导致钻头在钻孔过程中连续折断，无法正常打孔，限制了试验的进行.最终根据试件的承载能力，选定试件承载能力大于450 kN的24 号高强石膏作为相似模拟材料，其试件加载过程如图1.

数值模拟采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，模型选用的是应变软化模型，建立200×150×200 mm的立方体模型(如图2)，以模拟巷道间的预留煤柱.在200×150 mm的两个侧面，约束其x方向位移的约束力为σ2.在底面添加参数远大于受力模型的底板，以限制模型的z方向位移.顶板与底板参数相同，但顶板为施加竖直面力的传递体，其受的力为σ1.

表1 配比方案

模型参数对于数值模拟的结果至关重要，是影响模拟结果是否符合实际情况的关键因素，在本次数值模拟中，模型的参数如表2所示.

图2 模拟模型受力示意图

表2 模拟参数表

图3 相似试验与数值模拟对比

2 实验结果

图3为无支护相似试验及数值模拟试验得出的承载力与位移曲线，无支护情况下，对比数值模拟试验和相似试验获得的承载力与位移曲线可以得出，数值模拟与相似试验的拟合度较高，可以作为相似试验的补充试验，以便更清晰地分析锚固体内部受力以及各点位移情况.

通过承载力位移曲线可以发现，当Z向位移(竖向位移)达到3.4 mm左右时，无支护情况下的石膏块体的承载力达到最大值约为490 kN.在3次相似试验过程中，由于试验误差以及试验环境、条件的不同，石膏块体的无支护承载力最大值的范围在480 ～510 kN之间，通过后续施加锚杆锚固体承载力达到620 kN以上，可以不考虑上述试验误差带来的影响.承载力位移曲线可以转换成应力应变曲线，通过曲线计算无支护下石膏体的弹性模量为0.941 GPa.锚固体破裂后，其破裂角为65 °，通过FLAC3D数值模拟发现，其Y向位移值最大达到13.92 mm.

图4 预留变形量施加方法

为了确定试验中预留变形量设置大小，通过无支护试验过程发现，当对无支护的石膏体施加顶部荷载时，石膏体破碎后承载能力大幅下降时的侧向膨胀值在5 mm左右，为防止预留变形量设置过大，导致浪费实验材料，因此预留变形量设置3组分别为1,2,3 mm，如图4所示.

2.1 不同锚杆预留变形量对锚固体的影响

由于煤矿开采效率以及降低成本有巨大的优势，所以沿空留巷在很多煤矿中都能看到.然而，由于近地表煤炭资源的持续开采，已经导致浅层煤炭资源被开采殆尽，多数煤矿开始向深部继续开采，巷道在深部高地应力的情况下，需要承受采动带来的冲击压力.就煤巷而言，较高的冲击地压极容易导致煤巷产生缩颈现象，进而影响安全生产.为了保持煤巷的正常使用，多采用加厚预留煤柱或是用锚杆加固方法，而加厚预留煤柱会使本就深部开采不易的宝贵的煤炭资源遭到浪费，且普通的锚固方式并不能满足要求.由于开采初期较高的地压力，会使得煤柱变形较大，此时如果直接利用锚杆进行锚固，锚杆将承受较大的膨胀压力极有可能使锚杆在进一步的承压过程中发生断裂现象，从而失去锚固效果.为了进一步认识锚杆预留变形量对锚固体的影响，采用相似试验与数值模拟方式结合，进一步研究预留变形量对锚固体的影响.由于为锚杆预留了变形量，在达到设定变形量之前，锚杆为锚固体的峰值强度提供了作用，且不会导致锚杆轴力过大产生断裂现象.在实际的支护过程中，预留变形量支护也称为让压支护.由于事先释放一部分岩体的内部压力，在支护中，锚杆在起作用前可以避免岩体在前期由于变形过大产生的大变形给锚杆带来破断的风险，可以更好地对变形后的岩体进行支护.

图5 预留变形量承载力位移曲线

相比较无支护状态下(如图5)，预留变形量仍然提升了锚固体的峰后承载力，但是相比较无预留变形量锚固体，预留了变形量的锚固体虽然峰后承载力依然可以达到600 kN以上，但是在实验过程中峰后承载力会在达到预留变形量之前有所下降，在锚杆起作用后，峰后承载力会缓慢上升，直至达到极限承载力后，承载力开始缓慢下降.预留1 mm的锚固体在峰后的承载力还未来得及下降时，锚杆便起作用，峰后承载力继续上升.预留2 mm的锚固体在峰后的承载力下降了约30 kN后，锚杆起作用，承载力继续攀升.而预留3 mm的锚固体，其承载力虽然没有在峰后有下降区段，但整体的峰后承载力明显比前两者弱了很多.从承载力位移曲线来看，预留1 mm的锚固体无论峰后承载力还是极限承载力都要高于后两者，但是峰后锚杆破断后其承载力多次出现断崖式下降，峰后承载力整体也要比后两者下降得快.

其次，预留变形量锚固体的峰后承载力没有平稳的承载区段，当锚杆开始起作用后，其承载力开始攀升，而后锚杆相继破断，承载力缓慢下降.在布设方式一节中，不同的锚杆布设方式，其峰后承载力几乎都有稳定的承载区段，而预留变形量锚固体恰恰没有这一区段.同时，可以从图5中发现，预留变形量为1 mm和2 mm时，两者曲线走势较为接近.预留量达到3 mm后，走势以及承载能力大幅下降，因此，以2 mm为分界点，当预留量继续增加后，锚固体的各项物理参数将会大幅下降，甚至可能与无支护状态时相接近.

FLAC3D在数值模拟中，利用生死单元法进行模拟锚杆的预留变形量.初期将liner单元的弹性模量调到极小值，不起作用.当锚杆锚固端点的实体单元位移量达到1 mm,2 mm,3 mm时，恢复liner单元的弹性模量，使liner单元恢复托盘作用，锚杆开始受力.计算至3 400时步，实体单元的Y方向位移量达到1 mm，锚杆轴力开始变大，对锚固体的侧向膨胀开始起限制作用.预留变形量1 mm(图6a)与预留变形量3 mm(图6b)的Y向位移值分别达到12.17 mm以及13.37 mm，当预留变形量增加后，同时运行至20 000时步，两种预留变形量的Y向位移差值为1.2 mm.其Y向位移差值并没有与预留变形量差值达到一样，说明锚杆起作用后，Y向位移值与锚杆的性能及锚杆的参数有关.

图6 预留变形量对Y向位移影响

在施加了预留变形量后，锚固体的最大剪应力也发生了变化.在预留变形量为1mm时，最大剪应力值为6.65×106 Pa；当预留变形量达到3 mm后，最大剪应力值为6.52×106 Pa，差值为0.13×106 Pa.两者锚杆受力差值约200 N，预留1mm时锚杆受力值略高.而3种预留变形量的锚固体塑性区体积差值较小，均为12.8×10-3，相较于无支护情况下，塑性区体积有所增加.

在实际生产中，这既可以很好地保护锚杆结构，也可以达到想要的承载要求.尤其是在深部煤炭开采过程中，可以很好地应对高地应力的情况，且可以有效减少由结构单元破断对煤巷的安全产生威胁.

2.2 锚杆预留变形量对支护体强化机理

通过试验可以发现锚杆预留变形量对锚固体的影响，但预留变形量对支护体的强化机制对后续其他锚固参数的研究，可以提供有力的依据，也可以为工程实践提供理论基础.因此，对锚杆预留变形量的支护体的强化机制的研究分析是有必要的.

图7 预留变形量锚固体等效内聚力增量与峰后承载力增量关系

锚固体施加锚杆时预留了变形量，对锚固体前期的侧向膨胀限制性较差，所以其斜率值偏小，但整体的趋势符合正相关.锚固体在达到峰值时发生破碎，但由于预留了变形量，锚杆并不能立即起作用，对锚固体起到限制作用.因此，在锚固体达到峰值时，由于锚杆钻孔后破裂面更容易联通，其峰值后等效内聚力值反而小于无支护石膏体.岩体在无支护时其承载能力与岩体的内摩擦角与内聚力相关，而施加锚杆后，岩体的内摩擦角几乎没有变化，因此锚固体的峰后承载能力与锚固体的等效内聚力相关性较强.如图7可以看出，施加预留变形量锚杆后，锚固体的承载力增量与等效内聚力增量呈正相关关系，且符合关系y=4.227x-0.880 2.

对穿锚杆施加预留变形量后，并不像黏结性预留变形量锚杆，承载过程中会与锚固体的破碎块体黏结至一起，破碎程度不会太大，见图8.对穿锚杆施加预留变形量会使得锚固体在峰值后的破碎块体得不到好的黏结，Z向破碎程度较高.但对穿锚杆的Y向约束力较强，Y向的破碎被抑制.而整体性由于竖向承载，其破碎仍比较严重，导致锚固体的稳定承载阶段没有出现.

图8 预留变形量承载过程

由于锚固体在破裂面产生后锚杆才发生作用，锚固体的破裂面被重新抑制，其破裂面也会重新发生变化.锚杆发生约束作用较晚，至锚杆起作用后，并不能持续提供稳定的承载力，至锚杆形变量达到一定值后，即在峰值后承载力的稳定阶段，锚杆相继发生破断.如图9，为预留量1 mm和3 mm的锚固体破裂面.锚杆预留变形量达到预定值后，锚杆发生作用，破裂角发生变化.

3 结论

图9 预留变形量承载过程

施加预留变形量后，对穿锚固支护方式对锚固体的峰后强度在一定预留量内有所提升.其峰后强度特征为持续提升至极限强度后缓慢下降，并无可以稳定承载的区段.对穿锚杆预留变形量后，锚固体需在侧向膨胀至预留量时锚杆发生作用，在此过程中，由于锚固体已经产生破裂面，锚杆此时随锚固体的变形发生弯曲，随之也会改变锚杆发生作用后的等效内摩擦角以及内聚力等力学参数.