深部回采巷道錨桿直徑作用規律數值模擬研究

摘 要：隨著社會煤炭的需求量不斷增大，淺部資源日益枯竭，故已開始轉入深部開采。隨著煤礦開采深度的增加，深部巖體處于“三高一擾動”的復雜地質環境，相繼深部開采巷道出現巷道底臌嚴重、圍巖變形量大等一系列工程問題，對深部的資源開采提出了嚴峻的考驗。有關人員針對煤礦深部回采巷道支護技術進行了理論分析、數值模擬計算及現場試驗，解決了許多理論難題及工程關鍵技術。工程實踐表明，由于深部巷道的環境復雜，在設計錨桿時大多數使用工程類比法，不能準確地把握錨桿的使用情況。本文主要對巷道支護中錨桿的直徑進行研究，采用FLAC 3D數值模擬方法，分析不同直徑大小的錨桿對巷道圍巖變形特征及圍巖塑性區分布規律。

關鍵詞：深部回采想到；錨桿；直徑

1 數值模擬模型與參數

為了研究錨桿直徑對現場支護效果的影響，本次試驗在現場使用的基本參數的基礎上，分別對錨桿直徑為16mm、18mm、20mm、22mm、24mm等5種情形進行了模擬來研究巷道圍巖變形特征及圍巖塑性區分布規律。

數值模擬根據實際工程地質條件，采用彈塑性材料模式，附加摩爾庫侖屈服準則，建立模擬區域的長×寬×高=50m×50m×30m，。本模型限制其側向和底部處的位移；在上表面施加25MPa的荷載，圍巖弱化系數50%建模，模擬上覆巖體的自重條件。模擬中巷道所處的深度為987m，錨桿材料的彈性模量210GPa，泊松比0.3。采用控制變量方法，固定錨桿長度為2800mm，間排距為800mm×800mm。利用有限差分軟件FLAC 3D，深入揭示巷道開挖后巷道圍巖變形特征及圍巖塑性區分布規律。

2 數值模擬結果及分析

為了分析研究巷道支護后圍巖變形特征，不同直徑的錨桿作用模擬所得的塑性區云圖如圖1所示。

圖1 不同錨桿直徑時圍巖塑性區云圖

從圖1中可以看出，隨著錨桿直徑的增大，圍巖塑性區范圍在逐漸減小；不同錨桿直徑的支護對塑性區圍巖的破壞方式及破壞狀態有所改變。施加錨桿后頂底板中央和兩幫中央塑性變形較大，為了方便分析，不同錨桿直徑作用時發生的最大圍巖水平及豎直位移變化曲線如圖2所示。

圖2 不同錨桿直徑作用時圍巖豎直及水平位移變化曲線

從圖2中可以看出，隨著錨桿直徑的增加，圍巖變形的控制效果也逐漸明顯。上述曲線變化趨勢說明，隨著錨桿直徑的增大，巷道圍巖頂板、底板和幫部的最大位移量在減小。

3 錨桿直徑優化分析

巷道支護設計，主要是選擇確定合理的支護形式和支護參數。如果支護形式和支護參數選擇不合理，就會造成兩個極端：一是支護強度太高，浪費材料和工時；二是支護強度不夠，造成偏幫冒頂事故。因此，正確合理地選擇支護形式和參數是支護設計的最終目標。

一般來說，在拱形巷道圍巖的破裂區中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿著巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。因此，錨桿支護的關鍵在于獲得較大的承壓拱厚度和較高的強度，其厚度越大，越有利于圍巖的穩定和支承能力的提高。

表1 組合拱厚度與錨桿間排距建議取值

圍巖松動圈現場測試表明，朱集西煤礦巷道松動圈范圍基本為200～250 cm，松動圈范圍較大，為了有效地控制巷道圍巖的變形，應該增加錨桿的長度，盡量讓錨桿錨固在頂板穩定巖層中。

錨桿錨固力計算：

P錨=？仔×？準孔×？滓'×L錨 （1）

式中， 取值為0.03m；取值2.5MPa；取值為0.5m。則有：kN。

錨桿直徑應該滿足下面不等式：

d？叟35.52■ （2）

式中，？滓t取值為500MPa。

代入式2，求得錨桿直徑應該滿足：

d？叟17.24mm （3）

根據表1，則本設計中錨桿直徑取值22mm時，支護效果的影響差別很小，說明錨桿已經能夠發揮很好的補強支護作用。

4 結束語

4.1 數據模擬結果表明，隨著錨桿直徑變大，巷道支護后的無效加固區逐漸減小，巷道圍巖表面位移也逐漸減小。總的來說相對較大直徑的錨桿支護巷道后，巷道穩定性高、變形小、塑性區范圍小且分布較為均勻。

4.2 針對朱集西煤礦的地質條件，巷道支護設計時的錨桿直徑取值22mm時，已能夠發揮很好的補強支護作用，能有效避免支護強度太高、支護強度不夠和材料浪費等問題。

參考文獻

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