不同長度下錨桿支護(hù)軸力分布模擬分析

周文龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四臺礦，山西 大同 037000）

引言

錨桿支護(hù)屬于煤礦巷道支護(hù)中的先進(jìn)技術(shù)，不僅能加固圍巖，提高圍巖強度和巖體穩(wěn)定性，還具有支護(hù)成本低、成巷速度快、支護(hù)效果好，可明顯改善作業(yè)條件等優(yōu)點[1]，因此，錨桿支護(hù)在煤礦巷道中擁有廣泛的應(yīng)用前景。在煤礦地質(zhì)一定的情況下，錨桿支護(hù)效果的好壞往往取決于支護(hù)參數(shù)，其中比較關(guān)鍵的參數(shù)就是錨桿長度，因此，分析研究不同長度下對錨桿支護(hù)軸力的受力影響，確定錨桿合理的長度取值范圍，不僅能增強圍巖的穩(wěn)定性和煤礦開采的安全性，也可達(dá)到節(jié)約成本的目的。

1 錨桿支護(hù)的機理

錨桿支護(hù)是借助于圍巖內(nèi)的桿體，改變圍巖的強度和力學(xué)狀態(tài)，達(dá)到在巷道圍巖內(nèi)形成一系列穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，通過與圍巖的相互作用，實現(xiàn)保護(hù)巷道的目的[2]。錨桿支護(hù)機理可概括總結(jié)為：懸吊作用是將易破壞的圍巖層通過錨桿固定在不易破碎圍巖層的下方，整體就像懸吊起來；減跨作用是錨桿的嵌入不僅改變了跨距，且增加了變形的難度。組合梁作用是錨桿的嵌入使相鄰層之間的距離減小，層與層之間更加密集，大幅提升了層間的摩擦作用力。拱形壓縮帶作用是錨桿的嵌入使巖層加固，應(yīng)力情況發(fā)生了改變，降低了變形率的發(fā)生。楔固作用主要是基于錨桿嵌入后的效果，來避免圍巖沿著弱面發(fā)生移動而破壞，從而提高其穩(wěn)定性。最大水平應(yīng)力是在巷道變形中起著決定性的作用，它一定程度上決定著頂?shù)装宓淖冃吻闆r。錨桿桁架支護(hù)作用，一是改變頂板受力，部分位置由受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為受壓應(yīng)力；二是有效促進(jìn)頂板裂隙體梁的形成；三是提高頂板裂隙體梁拱座位置的抗滑動性能[3]。

2 不同長度下錨桿支護(hù)軸力的模擬分析

錨桿長度作為錨桿支護(hù)參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)能保證在錨固區(qū)內(nèi)形成足夠穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。錨桿長度太短，錨固區(qū)范圍太小，不利于巷道圍巖的安全和穩(wěn)定；反之，如果錨桿長度太長甚至達(dá)到一定值后，再增加錨桿長度對錨固體承載力已無明顯影響，還會增加作業(yè)成本[4]。

本文以某礦為研究對象，監(jiān)測位于三處不同位置下錨桿的受力響應(yīng)，具體為：拱頂處監(jiān)測范圍；拱肩處監(jiān)測范圍；拱側(cè)處監(jiān)測范圍，如圖1 所示的1、2、3 三處。

圖1 檢測錨桿位置示意圖

在錨桿間排距一定的情況下，研究同一型號錨桿在不同長度下錨桿所受軸力的變化規(guī)律，得到如圖2、下頁圖3 和圖4 所示的折線圖。

圖2 拱頂1 處錨桿軸力變化圖

圖3 拱肩2 錨桿軸力變化圖

從圖2、圖3 中可以看出，對于同一型號錨桿，其所受到的軸力大小沿著桿長方向呈現(xiàn)出中間區(qū)域偏大、兩端區(qū)域偏小的規(guī)律。圖2 中，當(dāng)拱頂錨桿長度為4 m 時，在監(jiān)測點約3 m 處，錨桿軸力最大；在監(jiān)測點1 m 和4 m 處兩端區(qū)域軸力均小于中間區(qū)域，拱肩處錨桿。

此外，還可以看出，對于拱頂、拱肩這兩個位置的錨桿，當(dāng)錨桿長度逐漸增加時，其所受到的最大軸力值逐漸向圍巖深處進(jìn)行偏移，且最大軸力值也隨之增加。對于拱頂處錨桿，當(dāng)錨桿長度為4 m 時，最大軸力值約在監(jiān)測點3 m 的位置，大小約68.3 kN；當(dāng)錨桿長度為6 m 時，最大軸力值約在監(jiān)測點4 m的位置，大小約103.8 kN，可看出拱肩處錨桿所受到的最大軸力值處于錨桿的后部。對于拱肩處錨桿，當(dāng)錨桿長度為4 m 時，最大軸力值約在監(jiān)測點2 m 的位置；當(dāng)錨桿長度為6 m 時，最大軸力值約在監(jiān)測點3 m 的位置，最大軸力值所在位置處于錨桿中部。可得出，處于拱頂、拱肩位置的錨桿，最大軸力所在位置處于錨桿的中后部。

從圖4 中可以看出，對于拱側(cè)處的錨桿，當(dāng)錨桿長度由4 m 向6 m 逐漸增加時，錨桿所受到的最大軸力值增幅較小，最大軸力值也向圍巖深處進(jìn)行偏移。但當(dāng)錨桿長度再增加時，其所受到的最大軸力值變化較小，基本保持在監(jiān)測點5～6 m 之間的范圍內(nèi)，說明對于拱側(cè)處的錨桿，當(dāng)錨桿長度增加到8m 以后，其所受到的最大軸力值無明顯變化。

圖4 拱側(cè)3 錨桿軸力變化圖

對比圖2、圖3、圖4 的結(jié)果還可知，位于拱肩處錨桿所受的最大軸力值明顯要大于位于拱頂、拱側(cè)處的錨桿。綜合可得出，當(dāng)錨桿長度從4 m 增加到12 m 的過程中，對于拱頂和拱肩處的錨桿所受到的軸力變化規(guī)律基本一致，隨著錨桿長度的增加，所受到的最大軸力均增加，最大軸力值所在位置向圍巖深處進(jìn)行偏移；對于拱側(cè)處的錨桿，其所受到的軸力值不隨錨桿長度的增加而增加，作用效果較低。

3 結(jié)論

1）隨錨桿長度的增加，對于拱頂和拱肩處的錨桿所受到的最大軸力值也隨之增加，且最大軸力值向圍巖深處進(jìn)行偏移；

2）對于拱側(cè)處的錨桿，其所受到的軸力值不隨錨桿長度的增加而增加，作用效果較低、影響較小；

3）處于拱肩處錨桿所受的最大軸力值明顯大于其他位置處的錨桿。