巷道錨桿支護性能的仿真分析

姜 波

（晉能控股集團云崗礦綜采二隊， 山西 大同 037000）

引言

煤炭是我國重要的能源形式，由于對煤炭的需求量及開采量巨大，我國的地下煤層的賦存條件復(fù)雜多樣，具有較大的安全隱患。隨著煤礦開采深度的增加，煤礦的巷道支護成為保證煤礦安全開采的重要因素。錨桿支護是煤礦開采支護的主要方式，具有對復(fù)雜地形較強的適應(yīng)性，并可以滿足較高的掘進速度，具有較好的支護效果。錨桿支護的設(shè)計及施工水平不斷提高，但由于支護對象的復(fù)雜性，對于錨桿的錨固與圍巖相關(guān)的關(guān)系沒有明確的模型進行研究[1]。在煤礦的巷道支護中，錨桿的性能決定了支護的安全，對煤礦的生產(chǎn)具有決定性的作用。在錨桿進行支護的過程中，受到多種因素的影響制約，因此，針對巷道支護中不同的因素對錨桿支護的性能進行分析[2]，從而進一步研究錨桿與圍巖的相互作用關(guān)系，提高錨桿支護使用的可靠性，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

1 錨桿支護仿真模型的建立及參數(shù)設(shè)定

錨桿應(yīng)用于煤礦巷道支護中，由于施工過程及煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，對錨桿的錨固質(zhì)量難以進行有效地檢測，無法對其安全性能進行直觀地判斷。錨固質(zhì)量發(fā)生問題往往造成煤礦的安全事故，對錨桿進行拉拔試驗成為檢測錨固質(zhì)量的重要手段。樹脂錨固劑由多種化學(xué)試劑組成，是煤礦巷道支護中廣泛的黏接性錨固材料[3]。采用樹脂錨固體的主要失效形式可以分為黏接失效、圍巖失效、桿體破壞失效及配件失效。黏接失效出現(xiàn)的比例占到我國錨桿支護失效類型的80%以上，這是錨固過程中錨固層與錨桿之間的相互作用復(fù)雜，造成多種形式的黏接失效[4]。針對帶有空洞樹脂錨固造成的黏接失效，對錨桿的性能進行分析，從而優(yōu)化設(shè)計使用過程，提高錨固的質(zhì)量。

采用ABAQUS 有限元分析軟件對錨桿支護的性能進行模擬，ABAQUS 具有豐富的巖土本構(gòu)模型，在巖土工程、地質(zhì)等研究中具有廣泛的應(yīng)用。ABAQUS具有較強的網(wǎng)格剖分能力，可對復(fù)雜的模型進行超單元的剖分[5]，然后進行網(wǎng)格的劃分，實現(xiàn)對巖土工程問題的精確分析。

以帶有空洞樹脂錨固模型對錨桿的性能進行分析，依據(jù)工程現(xiàn)場的支護參數(shù)并考慮邊界效應(yīng)的影響作用，建立錨固體的圓柱體尺寸直徑1.6 m、高1.5 m，采用ABAQUS 建立數(shù)值計算模型并進行對稱性設(shè)置。對錨桿在支護過程中的應(yīng)力分布及圍巖的穩(wěn)定性等進行分析，在模型中設(shè)定監(jiān)測線，對錨桿的應(yīng)力進行監(jiān)測[6]，得到如圖1 所示的錨固模型，其中X 方向表示圓柱巖體的垂直方向，Y 方向表示錨桿錨固方向。

圖1 錨桿錨固模型（單位：mm）

帶有空洞樹脂錨固模型采用彈性模型，錨桿及錨固層之間采用interface 命令進行實現(xiàn)，依據(jù)使用的錨桿及錨固劑的材質(zhì)及現(xiàn)場圍巖的性質(zhì)，設(shè)定錨桿的泊松比為0.25，剪切強度為195 000 MPa；圍巖的泊松比為0.24，剪切強度為20 000 MPa；錨固樹脂的泊松比為0.3，剪切強度為2 274 MPa[7]。對錨桿、樹脂錨固層及圍巖模型進行網(wǎng)格劃分處理，采用ABAQUS 中適用于大變形分析的CAX4R 進行單元網(wǎng)格的劃分處理，可以適用于較大的網(wǎng)格扭曲，且不會降低計算的精度。

2 不同參數(shù)對錨桿支護性能的影響仿真分析

在錨桿進行支護的過程中，受到多種因素的作用形成錨固系統(tǒng)的拉拔，在拉拔過程中容易造成錨固系統(tǒng)的失效。由于錨桿支護中不同參數(shù)的尺寸效應(yīng)，對失效造成影響，針對巷道支護的不同因素[8]，主要包括錨桿直徑D、錨固層厚度t 及空洞長度L0等進行錨桿性能的分析，從而優(yōu)化錨桿支護參數(shù)的設(shè)計選用[9]，提高錨固的穩(wěn)定性。

2.1 不同錨桿直徑的錨桿應(yīng)力分析

對錨桿直徑的影響作用進行分析，選取5 種不同直徑的錨桿進行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖2 所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖2 中可以看出，在不同的錨桿直徑時所受到的應(yīng)力作用隨著距離的增加，差值逐漸增大；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加[10]，在不同的錨桿直徑下，相同位置處錨桿的直徑越大，則所受到的應(yīng)力作用越小，即錨桿的直徑越大，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護的性能越好。

圖2 不同錨桿直徑下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

2.2 不同錨固層厚度的錨桿應(yīng)力分析

對錨固層厚度的影響作用進行分析，選取5 種不同錨固厚度的支護進行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖3所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖3 中可以看出，在不同的錨固層厚度時錨桿所受到的應(yīng)力作用整體相差不大，隨著錨固距離的增加，應(yīng)力差值進一步逐漸減??；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加，在不同的錨固層厚度下，相同位置處錨固層厚度越小[11]，則錨桿所受到的應(yīng)力作用越小，即錨固厚度相對越小，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護的性能越好。

圖3 不同錨固層厚度下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

2.3 不同空洞長度的錨桿應(yīng)力分析

對空洞長度的影響作用進行分析，選取5 種不同空洞長度的支護進行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖4 所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖4 中可以看出，在不同的空洞長度時錨桿所受到的應(yīng)力作用整體相差不大，在空洞長度最大0.30 m 時的應(yīng)力值較大，隨著錨固距離的增加，應(yīng)力差值進一步逐漸減??；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加，在不同的空洞長度下，相同位置處空洞長度越小，則錨桿所受到的應(yīng)力作用越小，即空洞長度越小，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護的性能越好。

圖4 不同空洞長度下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

3 結(jié)論

1）錨桿的直徑越大、錨固層的厚度相對越小、空洞的長度越小，則空洞樹脂錨固中錨桿受到的應(yīng)力越小，越能承受較強的拉拔作用，錨固的效果越好。

2）在實際設(shè)計應(yīng)用中，受到施工過程及成本的限制，錨桿直徑及錨固層厚度不能任意地進行增大或減小，需對錨桿的直徑、錨固層厚度及空洞的長度進行合理匹配，從而達到最佳的錨固效果，保證煤礦的支護安全。