不同长度下锚杆支护轴力分布模拟分析

2021-10-21周文龙

机械管理开发 2021年10期

周文龙

（晋能控股煤业集团有限公司四台矿，山西大同 037000）

引言

锚杆支护属于煤矿巷道支护中的先进技术，不仅能加固围岩，提高围岩强度和岩体稳定性，还具有支护成本低、成巷速度快、支护效果好，可明显改善作业条件等优点[1]，因此，锚杆支护在煤矿巷道中拥有广泛的应用前景。在煤矿地质一定的情况下，锚杆支护效果的好坏往往取决于支护参数，其中比较关键的参数就是锚杆长度，因此，分析研究不同长度下对锚杆支护轴力的受力影响，确定锚杆合理的长度取值范围，不仅能增强围岩的稳定性和煤矿开采的安全性，也可达到节约成本的目的。

1 锚杆支护的机理

锚杆支护是借助于围岩内的杆体，改变围岩的强度和力学状态，达到在巷道围岩内形成一系列稳定的承载结构，通过与围岩的相互作用，实现保护巷道的目的[2]。锚杆支护机理可概括总结为：悬吊作用是将易破坏的围岩层通过锚杆固定在不易破碎围岩层的下方，整体就像悬吊起来；减跨作用是锚杆的嵌入不仅改变了跨距，且增加了变形的难度。组合梁作用是锚杆的嵌入使相邻层之间的距离减小，层与层之间更加密集，大幅提升了层间的摩擦作用力。拱形压缩带作用是锚杆的嵌入使岩层加固，应力情况发生了改变，降低了变形率的发生。楔固作用主要是基于锚杆嵌入后的效果，来避免围岩沿着弱面发生移动而破坏，从而提高其稳定性。最大水平应力是在巷道变形中起着决定性的作用，它一定程度上决定着顶底板的变形情况。锚杆桁架支护作用，一是改变顶板受力，部分位置由受拉应力转换为受压应力；二是有效促进顶板裂隙体梁的形成；三是提高顶板裂隙体梁拱座位置的抗滑动性能[3]。

2 不同长度下锚杆支护轴力的模拟分析

锚杆长度作为锚杆支护参数中的关键参数，应能保证在锚固区内形成足够稳定的承载结构。锚杆长度太短，锚固区范围太小，不利于巷道围岩的安全和稳定；反之，如果锚杆长度太长甚至达到一定值后，再增加锚杆长度对锚固体承载力已无明显影响，还会增加作业成本[4]。

本文以某矿为研究对象，监测位于三处不同位置下锚杆的受力响应，具体为：拱顶处监测范围；拱肩处监测范围；拱侧处监测范围，如图1 所示的1、2、3 三处。

图1 检测锚杆位置示意图

在锚杆间排距一定的情况下，研究同一型号锚杆在不同长度下锚杆所受轴力的变化规律，得到如图2、下页图3 和图4 所示的折线图。

图2 拱顶1 处锚杆轴力变化图

图3 拱肩2 锚杆轴力变化图

从图2、图3 中可以看出，对于同一型号锚杆，其所受到的轴力大小沿着杆长方向呈现出中间区域偏大、两端区域偏小的规律。图2 中，当拱顶锚杆长度为4 m 时，在监测点约3 m 处，锚杆轴力最大；在监测点1 m 和4 m 处两端区域轴力均小于中间区域，拱肩处锚杆。

此外，还可以看出，对于拱顶、拱肩这两个位置的锚杆，当锚杆长度逐渐增加时，其所受到的最大轴力值逐渐向围岩深处进行偏移，且最大轴力值也随之增加。对于拱顶处锚杆，当锚杆长度为4 m 时，最大轴力值约在监测点3 m 的位置，大小约68.3 kN；当锚杆长度为6 m 时，最大轴力值约在监测点4 m的位置，大小约103.8 kN，可看出拱肩处锚杆所受到的最大轴力值处于锚杆的后部。对于拱肩处锚杆，当锚杆长度为4 m 时，最大轴力值约在监测点2 m 的位置；当锚杆长度为6 m 时，最大轴力值约在监测点3 m 的位置，最大轴力值所在位置处于锚杆中部。可得出，处于拱顶、拱肩位置的锚杆，最大轴力所在位置处于锚杆的中后部。

从图4 中可以看出，对于拱侧处的锚杆，当锚杆长度由4 m 向6 m 逐渐增加时，锚杆所受到的最大轴力值增幅较小，最大轴力值也向围岩深处进行偏移。但当锚杆长度再增加时，其所受到的最大轴力值变化较小，基本保持在监测点5～6 m 之间的范围内，说明对于拱侧处的锚杆，当锚杆长度增加到8m 以后，其所受到的最大轴力值无明显变化。

图4 拱侧3 锚杆轴力变化图

对比图2、图3、图4 的结果还可知，位于拱肩处锚杆所受的最大轴力值明显要大于位于拱顶、拱侧处的锚杆。综合可得出，当锚杆长度从4 m 增加到12 m 的过程中，对于拱顶和拱肩处的锚杆所受到的轴力变化规律基本一致，随着锚杆长度的增加，所受到的最大轴力均增加，最大轴力值所在位置向围岩深处进行偏移；对于拱侧处的锚杆，其所受到的轴力值不随锚杆长度的增加而增加，作用效果较低。