金屬礦山節理化巖體巷道錨桿支護加固機理模擬研究

康志強，羅忠偉，賈玉波

(河北聯合大學礦業工程學院，河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

錨桿加固技術其力學實質是通過人為加載或隨巖體變形被動發揮的方式，改善巖體的應力狀態，從而充分發揮巖體本身的自承能力和自穩能力，保障巖體工程的安全性和穩定性。巖體是含有大量節理裂隙損傷的天然結構體，其變形和破壞與節理裂隙的擴展和貫通密切相關。錨桿對巖體的加固效應集中體現在錨桿對裂紋和節理的止裂增韌效應上，近幾十年來，很多學者開展了這方面的理論研究工作，并取得了大量的成果，為從理論上揭示錨桿的加固機理奠定了基礎[1-3]。運用計算機數值計算的方法研究錨桿的加固效應，是近年來研究錨桿加固機理的有效手段，利用數值分析的方法可以從宏觀的應力場和位移場角度，來研究加錨巖體結構的強度和穩定性變化，通過分析加錨前后巖體結構場效應的變化，從而判斷錨桿的加固效果[4-5]。伴隨著巖錨技術的發展，錨固理論以及錨固效應的研究也不斷深入，從而為巖錨設計和施工技術的提高，提供理論和研究的支持。尤其是巖體錨固效應的研究對于揭示錨桿作用的內在機制具有十分重要的意義。

本文以金屬礦山節理巖體巷道為原型，利用數值模擬軟件對節理裂隙巖體雙軌巷道錨桿支護進行數值模擬分析，進一步揭示了錨桿支護對于改善節理巷道圍巖受力狀況、限制巷道圍巖的變形量等方面的顯著效果。

1 錨桿加固節理巖體的基本原理

從國內外大量的資料[6-7]可知，錨桿在節理面的剪切作用下，錨桿不僅沿著節理弱面厚度發生明顯變形,而且錨桿直徑的3～4倍的區段內也會有明顯的剪切變形。假設錨桿的剪切變形長度為lt,桿體軸向變形長度為ln,錨桿與節理面的夾角為φ。根據圖1可以得到下列公式：

ξn=Ltcosφ-Lnsinφ；

ξt=Ltsinφ+Lncosφ

式中ξn、ξt是弱面的切向和法向位移;Lt、Ln是桿體的橫向和軸向位移。

其中

；

式中Eb、Gb是錨桿材料的楊氏模量和剪切模量；A是與桿體截面形狀有關的剪切系數，對于園截面實心桿體，A=4/3；Bt和Bn分別是錨桿桿體內剪應力、軸向應力分布形狀系數，σb，τb分別是錨桿軸力和剪力。

圖1 節理弱面位移圖

應用等效連續模型，節理弱面的強度通過錨桿的作用得到增強，則加錨節理面的抗剪強度變為[8]：

τbs=(σc+σsn)f+(CC+τs)

式中f是節理面的摩擦系數；σc、CC分別是節理弱面自身的壓應力和粘結力；σsn、τs分別是由桿體提供給弱面的等效法向和切向應力。

結合上述個方程得到節理弱面的本構方程：

2 裂隙巖體巷道數值計算模型的建立

采用大型三維數值模擬軟件FLAC建立節理裂隙巖體巷道模型，模擬巷道的支護施工，模型長度x為30m，寬度y為3m，高度z為30m。其中y正向為巷道開挖推進方向。在模型中，單軌運輸巷道斷面寬L=5500mm，高H=4300mm，整個模型劃分為1056個單元，1647 個節點。

第二，地方財政支持力度使合作項目受限。三地經濟發展的水平決定了財政對高校師資培訓的支持力度。北京市中心開展的一些師資培訓項目中，北京市教委或高校給予了全額的資金撥付，津冀兩地的項目開展則會采取部分財政支持部分自付或者完全自付的方式，全額資金支持比例較低。這就造成在一些有合作意向的培訓項目上，由于資金配套不足而只能有限合作，影響了師資培訓項目的開展和師資間的交流。

建模時，要考慮消除邊界條件的影響。根據實際采礦經驗與采礦理論，模型上邊界施加均勻的垂直壓應力，模型兩側施加水平壓應力，模型下表面為位移約束，左右邊界約束側向位移。同時，在模擬過程中，要考慮地應力荷載的影響，各步的開挖通過將開挖的部分定義為null空單元來實現。以結構單元cable模擬錨桿，結構單元shell模擬注漿；錨桿和錨索在模擬過程中都看作是非線形材料。

裂隙巖體巷道數值模擬力學參數，如表1所示。

表1 節理巖體力學參數表

計算采取兩種模型進行計算：

模型Ⅰ：節理裂隙巖體巷道開挖后,不進行支護的物理模型。

模型Ⅱ：巷道開挖后，對圍巖錨注支護后物理模型。采用普通錨注支護結構，其中錨桿規格為Φ22mm×2000m，長度L=2000mm,彈性模量21GPa，抗拉強度0.25MPa，單位長度上水泥漿剛度15.7MPa，單位長度上水泥漿的粘結力0.2MPa，預緊力8kN，間排距1000mm×1500mm，噴層厚度200mm。錨桿托盤采用由鋼板壓制而成的碟形托盤，規格為150mm×150mm×10mm，和螺母之間加減摩墊圈。

錨桿采用樹脂藥卷端頭錨固，樹脂錨固劑型號為K23350，直徑為23mm，每支長度為350mm，用量為2支/根。錨桿均使用配套標準螺母緊固，螺母扭矩150～200N·m。

3 巷道圍巖的應力云圖分析

圖2和圖3分別為巷道開挖不支護和實施錨噴支護后巷道的圍巖X方向的應力云圖。從圖中可以看出，在巷道開挖后，巷道圍巖存在較大的拉應力，拉應力峰值達到6.597×104Pa，巷道頂部及周圍處于拉應力集中區，產生破壞的趨勢比較明顯，巷道底部處于壓應力集中區。由此可知，巷道頂板存在冒落的危險，兩幫存在片幫的危險。采用錨噴支護后，巷道頂底板及兩幫受拉應力影響的范圍明顯減小，頂板的拉應力集中區消失，頂部處于穩定狀態中，從而說明了錨噴支護的效果比較顯著。巷道兩幫和底板的拉應力峰值為2.81×104Pa，與不支護的情況相比，減小了約140%，且拉應力處于巖體的極限應力范圍內，巷道圍巖處于穩定之中，錨噴效果明顯，巷道圍巖穩定。

圖2 巷道支護前X方向應力云圖

圖3 巷道錨噴支護X方向應力云圖

圖4 巷道支護前Z方向應力云圖

圖5 巷道錨噴支護Z方向應力云圖

4 巷道圍巖的位移云圖分析

圖6和圖7分別為巷道開挖后不支護和實施錨噴支護后巷道圍巖X方向位移云圖。巷道在開挖不支護的情況下，巷道左幫圍巖移動1.61×10-1m，右幫圍巖移動-1.63×10-1m。采用錨噴支護后，巷道左右兩幫圍巖位移變化量顯著，左幫圍巖移動1.17×10-1m，右幫圍巖移動-1.18×10-2m。由數據看出，采用錨噴支護后巷道兩幫移盡量減少了約40%。由此看出采用錨噴支護對片幫起到一定的效果，錨噴支護效果比較明顯。

圖6 巷道支護前X方向位移云圖

圖7 巷道錨噴支護X方向位移云圖

圖8 巷道支護前Z方向位移云圖

圖9 巷道錨噴支護Z方向位移云圖

圖8和圖9分別為巷道開挖后不支護和實施錨噴支護后巷道圍巖Z方向位移云圖。巷道開挖后頂板下沉2.52×10-1m，底板最大底膨量為2.0×10-1m。采用錨噴支護后，頂板的下沉量為1.22×10-1m，而底板最大底膨量1.5×10-1m，頂底板移近量減小50%。由此說明，錨噴支護后，巷道圍巖圍巖明顯減小，巷道處于穩定狀態中，與現場實測的結果基本一致。

5 結論

通過研究錨桿支護前后巖體結構應力場和位移場的變化規律，從而判斷錨桿的加固效果得出錨桿加固在節理巖體巷道中的作用機理，揭示了錨桿加固對節理巖體的加固支撐作用。

通過Flac3D大型數值模擬軟件計算表明：錨桿支護加固對于改善節理化巷道圍巖的受力狀況、限制巷道圍巖變形量具有重大的作用，對節理裂隙巖體進行錨桿加固是一種有效的節理巖體支護方法。在技術上是可行的，在工程實踐中具有重大的指導意義。

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