不同長度下錨桿支護軸力分布模擬分析

周文龍

（晉能控股煤業集團有限公司四臺礦，山西 大同 037000）

引言

錨桿支護屬于煤礦巷道支護中的先進技術，不僅能加固圍巖，提高圍巖強度和巖體穩定性，還具有支護成本低、成巷速度快、支護效果好，可明顯改善作業條件等優點[1]，因此，錨桿支護在煤礦巷道中擁有廣泛的應用前景。在煤礦地質一定的情況下，錨桿支護效果的好壞往往取決于支護參數，其中比較關鍵的參數就是錨桿長度，因此，分析研究不同長度下對錨桿支護軸力的受力影響，確定錨桿合理的長度取值范圍，不僅能增強圍巖的穩定性和煤礦開采的安全性，也可達到節約成本的目的。

1 錨桿支護的機理

錨桿支護是借助于圍巖內的桿體，改變圍巖的強度和力學狀態，達到在巷道圍巖內形成一系列穩定的承載結構，通過與圍巖的相互作用，實現保護巷道的目的[2]。錨桿支護機理可概括總結為：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，應力情況發生了改變，降低了變形率的發生。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生移動而破壞，從而提高其穩定性。最大水平應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底板的變形情況。錨桿桁架支護作用，一是改變頂板受力，部分位置由受拉應力轉換為受壓應力；二是有效促進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軸力的模擬分析

錨桿長度作為錨桿支護參數中的關鍵參數，應能保證在錨固區內形成足夠穩定的承載結構。錨桿長度太短，錨固區范圍太小，不利于巷道圍巖的安全和穩定；反之，如果錨桿長度太長甚至達到一定值后，再增加錨桿長度對錨固體承載力已無明顯影響，還會增加作業成本[4]。

本文以某礦為研究對象，監測位于三處不同位置下錨桿的受力響應，具體為：拱頂處監測范圍；拱肩處監測范圍；拱側處監測范圍，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出中間區域偏大、兩端區域偏小的規律。圖2 中，當拱頂錨桿長度為4 m 時，在監測點約3 m 處，錨桿軸力最大；在監測點1 m 和4 m 處兩端區域軸力均小于中間區域，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行偏移，且最大軸力值也隨之增加。對于拱頂處錨桿，當錨桿長度為4 m 時，最大軸力值約在監測點3 m 的位置，大小約68.3 kN；當錨桿長度為6 m 時，最大軸力值約在監測點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，當錨桿長度為4 m 時，最大軸力值約在監測點2 m 的位置；當錨桿長度為6 m 時，最大軸力值約在監測點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，對于拱側處的錨桿，當錨桿長度由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行偏移。但當錨桿長度再增加時，其所受到的最大軸力值變化較小，基本保持在監測點5～6 m 之間的范圍內，說明對于拱側處的錨桿，當錨桿長度增加到8m 以后，其所受到的最大軸力值無明顯變化。

圖4 拱側3 錨桿軸力變化圖

對比圖2、圖3、圖4 的結果還可知，位于拱肩處錨桿所受的最大軸力值明顯要大于位于拱頂、拱側處的錨桿。綜合可得出，當錨桿長度從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行偏移；對于拱側處的錨桿，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行偏移；

2）對于拱側處的錨桿，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。