巷道圍巖支護錨桿應力分布的研究分析

楊鵬飛

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

錨桿支護技術被廣泛應用于各種礦山工程的加固及地下開采中，錨桿的受力對巷道的安全具有決定性的影響[1-2]。在煤炭的開采中，由于煤炭沉積的分層及與圍巖的結構差異，容易引起圍巖的沉降不同，從而在圍巖層面上產生離層，引發安全事故。文章對離層作用對錨桿的受力影響進行分析，從而判定頂板的穩定性，提高錨桿支護的效果，控制圍巖的離層作用，保證煤礦開采的安全[3-4]。

1 離層作用下錨桿受力作用分析及模型建立

在巷道挖掘的過程中，圍巖的不協調變形造成頂板產生離層，使得錨固結構產生軸向的拉力，從而影響錨桿的受力。錨桿在進行布置的過程中，其角度并不總是垂直于頂板，當存在一定的安裝角度時，離層對錨桿的作用力更加復雜，不僅存在拉應力作用，還存在著一定的剪切應力的作用[5-6]。在實際的應用過程中，由于煤礦地質結構的復雜性，錨桿傾斜的工況更為多見。當錨桿與離層存在一定的傾斜角度時，錨桿的變形如圖1 所示，在傾斜離層的作用下，錨桿產生“S”形的變形。

圖1 錨桿受傾斜離層作用變形示意圖

采用離散元分析的方式對錨桿的受力作用進行分析，UDEC 軟件可以用于模擬非連續的介質，在采礦及巖土工程等領域具有廣泛的應用。采用UDEC軟件對錨桿的應力進行分析，建立錨桿分析的模型，設定巖層的模型為3 m×2 m，采用的錨桿直徑為20 mm，錨桿的長度為2 m，將巖層分為泥巖層及粉砂層，根據離層的位置，設定節理面距離孔口不同的位置為0.5 m。設定模型的邊界條件為上下邊界施加垂直方向的位移約束，左側施加水平方向的位移約束，建立如圖2 所示的模型圖，由此可對離層作用下的錨桿應力分布進行分析。

圖2 離層位置距離孔口0.5 m 處的模型圖

2 離層作用下錨桿應力分布的仿真模擬

2.1 垂直錨桿應力分布的模擬分析

在UDEC 中設定塊體采用各向同性彈性模型，并設定材料的摩擦角及抗拉強度，由此對錨桿的應力作用進行仿真模擬，得到如下頁圖3 所示的錨桿的軸應力及剪切應力的分布圖。從圖3 中可以看出，在彈性狀態及彈塑性狀態下，錨桿的應力分布具有較大的差別，彈塑性分析過程中，節理面隨著剪切位移的增加而產生一定的破壞，使得錨桿的應力分布產生變化；錨桿的應力沿著節理面的位置變化，離層的位置對于錨桿的應力作用具有直接的影響。

圖3 垂直錨桿的軸應力及剪切應力的分布

2.2 傾斜錨桿應力分布的模擬分析

對錨桿傾斜時的工況進行模擬分析，在離層相同的位置處，設定傾斜離層與錨桿的夾角為10°～90°之間，當夾角為60°時的模型如圖4 所示。對此時的錨桿應力進行分析，得到如圖5 所示的錨桿的應力變化圖。

圖4 錨桿與離層夾角為60°的模型圖

從圖5 中可以看出，在傾斜離層的作用下，錨桿的應力作用沿著傾斜的方向分布，且在彈性狀態下，錨桿的軸應力及剪切應力均呈現較大的變化，存在較大的梯度；在彈塑性狀態下，錨桿的應力值分布較為平穩，在離層位置處的變化梯度較小。改變錨桿與離層位置的不同夾角值，對其錨桿的軸力進行統計并作圖，得到如圖6 所示的錨桿的軸應力與離層夾角的關系曲線。

圖5 傾斜錨桿的軸應力及剪切應力的分布

圖6 錨桿軸應力與離層夾角的關系曲線

從圖6 中可以看出，改變錨桿與離層的夾角值，夾角較小的情況下，產生的軸應力較小，隨著夾角值的增加，則錨桿的軸應力逐漸增加，錨桿起到的抗拉作用越明顯。當錨桿與離層的夾角較小時，此時錨桿主要受到剪切應力的作用，發揮抗剪性能。由此可知，在進行錨桿的支護時，隨著離層傾斜角度的不同，對于錨桿的布置角度及錨桿的選擇要進行一定的優化，從而最大程度地發揮錨桿的性能，提高支護性能，保證圍巖巷道的穩定性。

3 結語

采用UDEC 軟件離散元分析的方式，對垂直及傾斜作用離層作用下的錨桿的應力變化進行分析。結果表明，錨桿的應力沿著節理面的位置變化，離層的位置對于錨桿的應力作用具有直接的影響；存在傾斜離層時，夾角較小時，錨桿主要發揮抗剪作用，隨著角度的增加，錨桿主要發揮抗拉作用。由此，進行錨桿的布置時，應依據地質的變化，合理的選擇錨桿的安裝角度及選擇合適的錨桿直徑，從而最大程度地發揮錨桿的性能，提高支護性能，保證圍巖巷道的穩定性，提高煤礦開采的安全性。