巷道掘进不同工况锚杆支护轴力分布研究分析

吕 谦

（同煤集团临汾宏大矿业有限责任公司， 山西 临汾 041000）

引言

煤炭的地下开采中离不开支护系统的作用，锚杆作为支护系统的主要部件，其在支护中受到复杂作用力的影响，自身的轴力产生较多的变化，锚杆的性能对煤矿的安全具有重要的影响[1]。随着煤矿开采深度的增加及支护技术的发展，对锚杆的性能提出了更高的要求。锚杆轴力的作用对支护系统的稳定具有重要的意义，因此，针对煤矿巷道掘进过程中锚杆的支护轴力在不同影响因素下的作用进行分析[2]，从而为巷道的掘进提供指导，提高支护系统的稳定性，保证煤矿的安全开采。

1 巷道掘进锚杆支护模型的建立

对影响锚杆支护轴力的不同因素进行研究，采用数值仿真的形式对主要的影响因素作用进行分析，首先需建立巷道掘进的支护模型。随着计算机技术与岩土工程本构模型的发展，在煤矿巷道掘进中采用数值模拟的形式成为研究分析的主要方法[3]。在多种岩土工程软件中，选择FLAC 3D 作为锚杆支护轴力模拟分析的软件，FLAC 3D 是采用有限差分的形式对连续介质的力学行为进行分析[4]，是岩土工程进行仿真分析的主流软件，适用于对巷道的锚杆支护作用进行分析。FLAC 3D 中提供了锚索单元，可对巷道掘进中的桩锚支护、边坡支护等多种支护形式进行快速的模拟分析[5]。

进行巷道掘进的施工参数为支护桩的直径0.8 m，桩长24 m，桩间距为1.3 m，锚杆支护的孔径为0.15 m，杆体采用钢绞线，强度等级为1860 N/mm2，采用32.5 水泥净浆进行锚杆灌注，水灰比为0.45，采用二次压力注浆的港式进行施工[6]，锚杆的倾角为15°，共配置有三道锚索。依据巷道掘进的工况条件建立锚杆的支护分析模型，在建模时，设定锚杆与土体之间的锚固力通过土体的位移产生，当没有位移产生时，锚杆不受力；在进行分析的过程中，不考虑地下水影响及锚杆受到的横向剪切作用[7]，钢绞线及注浆体为弹性体，周边的土体诶弹塑性体，符合摩尔- 库伦强度屈服准则，锚杆与周边的土体完全结合黏结，满足变形相容的条件[8]。

在消除边界效应的原则下，采用摩尔- 库伦强度准则建立巷道掘进的支护模型，采用空间直角坐标系，xoy 为水平面，z 轴为垂直方向，坐标原点设定在底部开挖面的正下方，采用周边的侧向约束进行边界条件的设置，不允许水平方向的位移，底边采用固定支座，允许垂直变形，采用摩尔- 库仑强度准则及弹塑性体的本构模型，设定垂直方向的影响范围为基坑深度的3 倍，水平方向的影响范围为基坑深度的5倍，考虑基坑的对称性[9]，对其进行四分之一建模，模型的长度为150 m、宽度为145 m、深度为64 m，对模型进行网格划分处理，对基坑开挖的网格进行加密处理，以提高计算分析的准确性，对基坑开挖外的网格进行放大处理，以提高计算分析的速度[10]，建立巷道掘进的模型如图1 所示。

图1 巷道掘进锚杆支护计算模型

2 巷道掘进锚杆支护不同工况下的轴力分析

对建立好的模型依据施工的顺序进行模拟开挖的过程，设定相应的材料参数，在重力条件下达到稳定状态时的初始应力及位移进行清零，进行开挖计算。锚索采用Cable 单元进行模拟，对锚索的锚固段设定相应的黏聚力参数，对锚索的自由端则黏聚力参数为零。对模型的支护模拟依据现场施工的顺序进行[11]，首先进行钻孔灌桩，然后分七步进行开挖及加锚杆，第一步开挖2.5 m，进行第一道锚杆的加固，然后每步逐渐开挖3 m、2 m、2 m，进行第二道锚杆的加固，再开挖2 m、2 m，进行第三道锚杆的加固，最后开挖3 m 至基坑底部。在开挖的过程中，对锚杆的轴力进行分析，由于基坑的对称性，仅在长边处设定断面进行轴力分析，其中1 号断面在基坑长边的中间位置，3 号断面在基坑长边的变角位置，2 号断面在1 号及3 号断面的中间位置，由此对不同工况下锚杆的支护轴力进行分析[12]。

2.1 同一深度工况下不同位置锚杆的轴力分析

在基坑开挖至同一深度时，对不同位置的锚杆的轴力进行统计，在三道锚杆支护中，第三道锚杆受到的轴力作用最大，仅对第三道锚杆的轴力进行分析，得到锚杆的轴力曲线如图2 所示。

图2 第三道锚杆的轴力分布曲线

从图2 中可以看出，第三道锚杆的自由段长度为8 m，锚固段的长度为17 m，在锚杆的自由段中，3 个锚杆的轴力变化不大，且三个断面位置的轴力逐渐减小，在锚固段中，3 个断面的锚杆轴力逐渐减小，锚固段的之前的一段轴力迅速减小，锚固段之后的一段轴力减小的较为缓慢，且1 号、2 号、3 号断面的锚杆轴力依次减小。由此可知，在同一层的锚杆中，靠近基坑边角锚杆的轴力逐渐减小，这有由于基坑的边角效应存在造成的。

2.2 不同深度工况下相同位置锚杆的轴力分析

以1 号断面为例对不同深度工况下的锚杆轴力进行分析，第一道锚杆在开挖一步后施工，第二道锚杆在开挖四步后施工，第三道锚杆在开挖六步后施工，得到锚杆的轴力分布如图3、图4、图5 所示。

从图3 中可以看出，1 号断面第一道锚杆的轴力随着开挖深度的增加逐渐增加，且第一步到第二步的增加较多，后续开挖步增加的相对较少；从图4 中可以看出，1 号断面第二道锚杆的轴力随着开挖深度的增加逐渐增加，且第四步到第五步的增加较多，后续开挖步增加的较少；从图5 中可以看出，1 号断面第三道锚杆的轴力随着开挖深度的增加逐渐增加，后续增加较少。由此可知，1 号断面的锚杆轴力随着开挖深度的增加逐渐增加，后期逐渐趋于稳定，在基坑开挖时，随着基坑变形的增加，导致锚杆轴力的增加，当逐渐开挖至底部时，基坑的变形趋于稳定，锚杆的轴力也随之保持不变。

图3 1 号断面第一道锚杆轴力分布曲线

图4 1 号断面第二道锚杆轴力分布曲线

图5 1 号断面第三道锚杆轴力分布曲线

3 结语

煤矿巷道掘进过程中，对锚杆支护系统具有较高的要求，锚杆的轴力受到多种因素的共同作用，采用仿真模拟的形式对不同工况下的锚杆轴力进行分析。结果表明，在同一层的锚杆中，靠近基坑边角位置的轴力较小，这是由于基坑的边界效应造成的；在不同深度的锚杆中，每道锚杆的轴力均为前期随着基坑开挖深度的增加而增加，后期逐渐趋于稳定，这是由于基坑开挖的前期变形量较大，使得锚杆的轴力较大，当逐渐开挖至底部时，基坑的变形达到稳定状态，变形量不变则锚杆的轴力保持不变。