尾砂膠結(jié)充填體內(nèi)不同錨桿長(zhǎng)度支護(hù)模擬分析

周建華，高 忠，曹宗權(quán)，邵 海，王 明，曾 鵬，鄧曉平

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)武山銅礦， 江西 瑞昌市 332204；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州市 341000）

錨桿在改善采場(chǎng)穩(wěn)定性方面具有積極作用，但不同的錨桿長(zhǎng)度對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性造成何種影響尚不知曉，如錨桿長(zhǎng)度的增加可以提高錨固力，帶來(lái)積極效果，但同時(shí)也降低了錨桿的剛度，降低錨桿的平均應(yīng)力，導(dǎo)致無(wú)法充分發(fā)揮其錨固作用。同時(shí)，支護(hù)長(zhǎng)度選取不合理，導(dǎo)致錨桿作用未能充分發(fā)揮，這造成支護(hù)材料浪費(fèi)、增加支護(hù)成本。因此，通過(guò)FLAC3D模擬軟件的方法研究充填體內(nèi)錨桿長(zhǎng)度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響是很有必要的。

1 不同錨桿長(zhǎng)度支護(hù)模擬試驗(yàn)

模型的幾何尺寸可根據(jù)計(jì)算目的及采礦工藝確定。本算例中，根據(jù)工程實(shí)際可首先確定斷面尺寸為4m×3m（寬×高），由于地下局部開(kāi)挖對(duì)其周?chē)?～5m范圍內(nèi)有影響，因此設(shè)計(jì)進(jìn)路上、下、左、右模擬介質(zhì)的尺寸為進(jìn)路尺寸的5倍?？紤]進(jìn)路長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)路的寬度及高度，因此可將本算例視為平面應(yīng)變問(wèn)題，模型幾何尺寸為44m×33m。

計(jì)算模型的尺寸確定后，還要確定計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)目。此數(shù)值模擬主要考慮在不同錨桿長(zhǎng)度錨固下充填體頂板在豎直方向的位移變化，故網(wǎng)格在豎直方向進(jìn)行了加密處理，采用的網(wǎng)格數(shù)目為44×66，即在豎直方向上每0.5m劃分一個(gè)單元，水平方向每1m劃分一個(gè)單元。模型在豎直方向從上至下分為上覆圍巖層、充填體層、礦層3個(gè)主要分層，為了提高模擬的精確性，充填體層由3個(gè)分層組成，每個(gè)分層均模擬了灰砂比1∶4及灰砂比1∶8的充填體。由于豎直方向上具有多個(gè)分層（礦體、1∶4充填體、1∶8充填體），為不影響計(jì)算精度，模型單元采用等分劃分，即每個(gè)單元大小相等。計(jì)算模擬的幾何形態(tài)及單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示，共建立11616個(gè)結(jié)構(gòu)單元和15075個(gè)節(jié)點(diǎn)單元。在本次計(jì)算模擬中，分別模擬了6種不同的錨桿長(zhǎng)度：1.4，1.8，2，2.4，2.5，2.7m，錨桿直徑8mm，間距1.6m，分析不同錨桿長(zhǎng)度下進(jìn)路開(kāi)挖后采場(chǎng)變形量，評(píng)價(jià)充填體頂板的穩(wěn)定性。

圖1 仿真模型示意

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)分析

在本次計(jì)算模擬中，分別模擬了6種不同的錨桿長(zhǎng)度，并且通過(guò)分析頂板沉降值來(lái)評(píng)價(jià)采場(chǎng)的穩(wěn)定性，其位移云圖如圖2所示，不同錨桿長(zhǎng)度的最大位移監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表1。

監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如下。

（1）從圖2及表1中可以看出，頂板最大變形量隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而逐漸降低。錨桿長(zhǎng)度從1.4m增大至1.6m，頂板最大變形量降低了0.428 mm，頂板變形降幅高達(dá)3.3%，這是由于錨桿長(zhǎng)度較小，僅對(duì)灰砂比1∶4的充填體有錨桿效果，而無(wú)法增強(qiáng)充填體的整體穩(wěn)定性，造成充填體頂板大幅度下降，嚴(yán)重威脅采場(chǎng)的安全性。因而，在工程實(shí)際中應(yīng)避免錨桿過(guò)小的情況。

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度下采場(chǎng)位移云圖

表1 不同錨桿長(zhǎng)度的最大位移監(jiān)測(cè)值

（2）錨桿長(zhǎng)度繼續(xù)增大，頂板變形逐漸趨于穩(wěn)定，錨桿長(zhǎng)度從1.6m至1.8m，頂板變形降低了0.087mm，而當(dāng)錨桿長(zhǎng)度從2m增大至2.2m時(shí)，頂板變形僅降低了0.028mm，這對(duì)工程實(shí)際中頂板的安全性影響微乎其微。錨固長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致結(jié)合面上單位面積承載力的下降。當(dāng)錨固體長(zhǎng)度超過(guò)某值（此值與地層種類(lèi)有關(guān)），錨固長(zhǎng)度的增加幾乎無(wú)助于承載力的提高。

（3）由錨桿長(zhǎng)度與最大位移監(jiān)測(cè)值關(guān)系得擬合方程y＝82.3784e－3.7663x＋12.4537，y代表頂板最大位移值，x代表錨桿長(zhǎng)度。

（4）上述分析表明，錨桿長(zhǎng)度影響頂板充填體的變形。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度沒(méi)有超過(guò)灰砂比1∶4充填體的厚度時(shí)，錨桿的錨桿效果將會(huì)大幅度降低；錨桿長(zhǎng)度超過(guò)1∶4充填體厚度后，錨桿效果將逐漸趨于穩(wěn)定。工程應(yīng)用中太長(zhǎng)的錨桿將增加采礦成本。由于在實(shí)際工程應(yīng)用中回采進(jìn)路的尺寸大小有一定的差別，因此錨桿長(zhǎng)度的確定需根據(jù)回采進(jìn)路的高度而定，根據(jù)研究確定錨桿的長(zhǎng)度為進(jìn)路高度的55%～65%時(shí)，對(duì)頂板充填體的變形控制可達(dá)到理想的效果。

3 結(jié) 論

（1）頂板變形與錨桿長(zhǎng)度成正比關(guān)系，錨桿越長(zhǎng)，頂板位移變化越小，但到一定值時(shí)，頂板位移變化趨于穩(wěn)定。

（2）根據(jù)仿真模擬效果可知，錨桿長(zhǎng)度為回采進(jìn)路高度的55%～65%時(shí)，對(duì)頂板充填體的變形控制可達(dá)到理想的效果。

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