錨桿支護過程中不同因素對支護效果的影響研究

胡麗偉

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030052）

0 引言

煤礦開采過程中，錨桿支護是常用的支護方式，具有施工簡單、作業效率高及支護穩定性高的優點[1]。在錨桿進行支護的過程中，由于各種不同的因素作用及地質變化，存在著錨桿失效的問題，對煤礦的安全造成影響。在進行錨桿支護穩定安全分析上[2]，采用仿真分析的形式可以快速地對錨桿支護的效果進行模擬，便于對支護的設計施工提供指導。在模擬分析過程中多采用錨結構單元的形式進行分析，這種分析方式忽略了錨桿的破斷行為[3]，當錨桿屈服后不能及時地改變其抗拉強度，從而影響分析結果的準確性[4]。本文采用樁結構單元的形式對錨桿支護過程中不同因素的影響作用進行分析，以提高分析的準確性[5]，為錨桿的支護設計使用提供參考。

1 錨桿支護分析模型的建立

對錨桿的支護效果進行模擬分析，采用FLAC 分析軟件建立錨桿的模型，在無圍壓的條件下錨桿周邊的巖體采用圓柱體的形式進行模擬[6]，建立圓柱體樣件的直徑為0.3 m、長度為1 m，錨桿安裝在圓柱體的中間位置，錨桿直徑為25 mm、總長度為1.2 m，其中固定在圓柱體內的長度為1 m，建立錨桿的數值分析模型如圖1 所示。

圖1 錨桿計算分析模型

采用樁結構單元的形式對錨桿的支護效果進行分析，可以融合梁結構及錨結構單元的特點，抵抗錨桿軸向的拉伸變形及側向上的剪切變形。同時樁結構單元可以模擬錨桿加固特性的擴展[7]，可以通過命令值設置拉伸破壞的應變，當產生錨桿的破斷時，可以對錨桿的拉伸破壞進行模擬分析，更加符合實際的變化情況[8]，從而提高計算分析的準確性。

在所建立的錨桿分析模型中，設定本構模型為摩爾- 庫倫模型，設定模型的自由度為沿著錨桿的軸向方向，其余方向固定約束[9]。采用自由網格的形式進行網格劃分處理。在模型中設定錨桿的泊松比為0.3，楊氏模量為220 GPa，抗拉載荷為200 kN，拉伸破壞應變為10-4，錨固過程中采用的錨固劑的內摩擦角為30°，剪切剛度為108 N/m2，錨固劑單位長度上的黏接力為200 kN/m，錨固劑的慣性矩為3.8×10-8m4，二次慣性矩為1.9×10-8m4。

在樁結構單元的外側節點上對模型施加大小為10-7m/s、方向沿著錨桿軸向的變化速率，對錨桿的拉拔進行模擬驗證，對錨桿上的軸力及外側節點上的位移進行記錄分析。結果表明，在拉拔過程中初始加載階段[10]，位移與拉拔力呈近似線性的變化；隨著加載的增加，位移增加的速度減小；當拉拔位移增加到極值后[11]，樁結構單元發生破斷，拉拔力瞬間下降為0。這一變化過程與實際錨桿的變化規律一致，由此說明采用樁結構單元進行錨桿破斷行為模擬的可行性[12]，可將其應用于對錨桿的支護效果分析。

2 不同因素對錨桿支護效果的影響作用分析

2.1 錨固劑黏聚力影響作用分析

在錨桿支護過程中，當沒有圍巖的圍壓作用時，錨桿的支護阻力主要受到黏聚力的影響作用。為研究不同錨固劑黏聚力對錨桿支護效果的影響作用，在不同的錨固劑黏聚力作用下對錨桿的拉拔力進行模擬分析，設定錨固劑的黏聚力在50～250 kN/m 范圍內變動，經過計算分析，得到錨桿的拉拔力變化如圖2所示。從圖2 中可以看出，在不同的錨固劑黏聚力變化時，對錨桿的承載性能具有較強的影響作用，隨著錨固劑黏聚力的增加，錨桿的承載性能隨之增加，且在黏聚力大于200 kN/m 時，錨桿受到的阻力作用大于自身的抗拉強度，產生了錨桿的破斷。

對圖2 中錨桿承載的拉拔力最大值進行分析，得到如圖3 所示的錨桿承載力最大值與錨固劑黏聚力的變化曲線。從圖3 中可以看出，在錨桿承載的抗拉強度范圍內，隨著錨固劑黏聚力的增加，錨桿可承受的拉拔力隨之增加，此時可以提高錨桿的支護效果；但當承載力大于錨桿的抗拉強度之后，繼續增加錨固劑的黏聚力，則錨桿的支護效果不再起作用。這說明，在進行錨桿支護的過程中，應首先保證錨桿具有較高的強度時，通過提高錨固劑的黏聚力可以提高錨桿支護的效果。

圖3 錨桿最大承受載荷隨黏聚力的變化曲線

2.2 錨固劑內摩擦角影響作用分析

在錨桿支護過程中，當存在圍巖的圍壓作用時，錨桿的支護阻力受到錨固劑內摩擦角的影響作用較大。為研究不同錨固劑內摩擦角對錨桿支護效果的影響作用，在不同的錨固劑內摩擦角作用下對錨桿的拉拔力進行模擬分析，設定錨固劑的內摩擦角在20°～40°范圍內變動，經過計算分析，得到錨桿的拉拔力變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，隨著錨固劑內摩擦角的變化，錨桿的承載性能具有一定的變化；隨著內摩擦角的增加，錨桿的承載性能具有一定的增加，且當內摩擦角大于30°時，錨桿發生破斷。

圖4 錨桿支護性能隨不同錨固劑內摩擦角的變化曲線

對圖4 中錨桿承載的拉拔力最大值進行分析，得到如圖5 所示的錨桿承載力最大值與錨固劑內摩擦角的變化曲線。從圖5 中可以看出，在錨桿承載的抗拉強度范圍內，隨著錨固劑內摩擦角的增加，錨桿的最大承載能力隨之增加；當內摩擦角大于30°時，達到錨桿自身的強度極限，此時繼續增加錨固劑內摩擦角對支護效果的改善作用有限，具體主要受到錨桿自身強度的影響作用。

圖5 錨桿最大承受載荷隨內摩擦角的變化曲線

3 結論

1）錨桿支護對于煤礦的安全穩定具有重要作用，采用基于樁單元的形式對錨桿的支護效果進行分析，可以模擬錨桿的破斷行為，提高分析的準確性。建立了錨桿的分析模型，并驗證了錨桿拉拔力隨位移的變化仿真符合實際的變化狀態。

2）對錨桿支護過程中錨固劑的黏聚力影響作用進行分析，結果表明，黏聚力對錨桿的支護效果具有較強的影響作用。在初始階段，增加黏聚力可以提高錨桿的拉拔力，改善支護效果；當超過一定范圍后，黏聚力對錨桿支護效果的改善作用有限，需提高錨桿自身的強度。

3）當錨桿受到圍壓作用時，對錨固劑內摩擦角的影響作用進行分析，結果表明，提高錨固劑內摩擦角可以提高錨固的效果；但當超過錨桿自身的強度作用后，繼續提高內摩擦角的大小對錨桿支護的效果影響作用有限。