不同錨索參數對預應力場影響的數值模擬研究

陳新宇

（陽煤集團碾溝煤業有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

錨索支護被廣泛應用于礦井巷道圍巖控制中，錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加預應力較大的特點。傳統的錨索支護理論認為錨索主要作用是將上部穩定巖層與下部不穩定巖層連接起來，起懸吊作用。因此，選取錨索時主要要求：錨索長度超過穩定巖層厚度；錨索能夠保證懸吊住下部不穩定巖層的重量，而對于錨索的其他參數沒有具體的要求。目前學者對錨索支護作用機理深入研究發現，錨索不僅起到懸吊的作用，而且可以在圍巖中形成支護應力場，對圍巖起到有效的控制，阻止了圍巖變形破壞，保證了圍巖的安全穩定性。錨索的長度及預應力在其中起到了決定性作用，因此，正確對錨索參數進行選取，能保證巷道圍巖穩定，對礦井安全高效生產具有十分重要的意義。

1 工程概況

某煤礦現主采3號煤層，采用綜采放頂煤開采工藝，煤層厚度平均為6 m，煤層傾角6°～10°，平均8°，煤質為貧煤，采空區頂板自由垮落。巷道埋深300 m左右，直接頂為7.2 m厚的砂質泥巖，老頂為13 m厚的中粒砂巖，直接底為20 m厚的砂巖和砂紙泥巖。現對2105回風巷錨索參數進行數值模擬研究。該巷道使用全錨索支護，巷寬4.6 m，高3.6 m。本次模擬分別對該礦不同錨索長度和預緊力的支護效果進行研究。模擬方案如下：不同錨索長度（4 300 mm、6 300 mm、8 300 mm）對支護效果影響和不同錨索預緊力（100 kN、150 kN、200 kN、250 kN）對支護效果影響。

2 數值模型的建立

一般分析錨桿與錨索支護作用的模型，是在原巖應力狀態下開挖巷道，然后安裝錨桿與錨索，巷道周圍應力狀態重新分布，圍巖發生變形與破壞，錨桿與錨索受力、變形。但是，由于圍巖應力比錨桿、錨索提供的應力大得多，因此，錨桿與錨索支護在圍巖中產生的應力場被完全覆蓋，無法進行分析與研究。為此，本部分數值模擬將在不考慮原巖應力，即在零原巖應力場條件下，分析全錨索支護方式中錨索長度和預應力引起的應力場分布特征與影響因素。

數值模擬水平方向長為200 m，垂直方向高為100 m，寬為50 m，模型上部上覆巖層重量取3 MPa，共建立網格的數量為239 580個。模型巖層劃分地質柱狀圖，假設各巖層為均質、各向同性材料。模型底部固支，側面設置水平位移，數值計算模型如圖1所示。

圖1 2105回風巷數值模型整體圖

3 不同錨索長度對預應力場的影響

下頁圖2是不同錨索長度的預應力場分布，錨索預應力為200 kN。

由下頁圖2模擬結果分析發現：

1）隨著錨索長度增加，有效壓應力區的范圍在高度方向上逐漸增加，表明錨索主動支護作用的范圍不斷擴大，但在寬度方向上變化不明顯，而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢[1-2]。

圖2 不同錨索長度時預應力場分布

2）隨著錨索長度增加，錨索中部及以上部分的壓應力逐步減小，表明錨索對中部及上部圍巖的支護作用不斷減小；

3）隨著錨索長度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應力逐步減小，表明錨索對其間圍巖的支護作用不斷減小。

可見，在預應力一定的條件下，錨索長度的選擇應根據頂板巖層條件及地應力大小綜合考慮，在錨固端錨固在穩定巖體內部后，錨索的長度不宜過長，可以通過提高預應力的方式來適當縮短錨索長度[3]。

4 不同錨索預應力對預應力場分布特征的影響

模擬錨索預應力從100～150 kN（間隔50 kN）形成的應力場分布，在此，將錨索預應力在圍巖中形成的應力場稱為錨索預應力場。圖3是錨索預應力分別為100～150 kN時巷道圍巖的預應力場分布。

圖3 不同錨索預應力時應力場分布

從圖3模擬結果可以看出，由于錨索的長度遠大于錨桿，當錨索預應力為100 kN時，頂板和兩幫錨索預應力都未能擴散到錨索整個長度范圍，頂部錨索僅在錨索錨固段附近和錨索尾部1 m范圍內預應力擴散較為良好，且巖體內部壓應力值較低。當預應力為150 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內壓應力值僅為0.1～0.13 MPa。當錨索預應力增加到200 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內壓應力值可以達到0.3 MPa，且壓應力擴散范圍在長度方向為錨索整個長度范圍內。當錨索預應力值從200 kN增大到250 kN時，巖體內部壓應力擴散范圍相差不大，頂板兩根錨索之間煤巖體內壓應力值增加速度逐漸趨于緩慢，預應力為250 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內壓應力值為0.35 MPa。因此在2105回風巷中，4.3 m長錨索的預應力選擇為200 kN。由于6.3 m長錨索長度較大，考慮到錨索長度越大，預應力損失越大，預應力值初步設計為250 kN[4-5]。

5 結論

根據以上數值模擬結果分析，對不同錨索參數對支護效果的影響得到以下結論：

1）隨著錨索長度增加，有效壓應力區的范圍在高度方向上逐漸增加，但在寬度方向上變化不明顯，而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢；錨索長度中部及以上部分的壓應力逐步減小，表明錨索對中部及上部圍巖的支護作用不斷減小；兩錨索之間中部圍巖的壓應力逐步減小，表明錨索對其間圍巖的支護作用不斷減小。

2）當錨索預應力越大，支護效果越好。當錨索預應力值從200 kN增大到250 kN時，巖體內部壓應力擴散范圍相差不大，頂板兩根錨索之間煤巖體內壓應力值增加速度逐漸趨于緩慢。

3）錨索長度和預應力的選取應相匹配起來，才能達到較好的支護效果。

最終確定，在2105回風巷中，對于不同長度錨索，其預應力的選擇方案是：4.3 m長錨索的預應力為200 kN；將6.3 m長錨索的預應力值初步設計為250 kN。