薛應(yīng)登，殷博超

(陜煤集團神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

錨桿支護技術(shù)是巷道支護的主要手段[1]。近年來，螺紋鋼錨桿在煤礦中得到廣泛使用，錨桿本身的強度也越發(fā)受到重視[2]。錨桿強度的主要影響因素有：錨桿鋼材的強度、不同的加工工藝以及外形的影響[3]。但是，由于鋼材的強度直接影響材料的成本，所以成品錨桿會在滿足國家標準及支護需求的前提下，選擇適宜的鋼材；另一方面煤礦對錨桿的需求量極大，考慮到加工時間及工藝復(fù)雜程度，通常會選擇熱壓處理并自然冷卻，因此，錨桿桿體外形優(yōu)化可以實現(xiàn)在不增加材料成本的前提下，適當?shù)奶嵘^桿本身強度并提升被錨固巖體的穩(wěn)定性[4]。

目前，在國際上全長錨固是錨桿支護的主要手段[5]。國內(nèi)關(guān)于錨桿外形優(yōu)化的研究仍處于試驗階段，林健等[6]對錨桿外形優(yōu)化進行了研究，通過ANSYS模擬錨桿、錨固劑關(guān)系得出不同橫肋間距錨桿拉拔力-位移關(guān)系曲線；康紅普等[7-8]通過FLAC3D模擬錨桿、錨固劑及巖體的關(guān)系，得出不同載荷下錨桿、錨固劑、巖體應(yīng)力分布。結(jié)合學者對錨桿橫肋間距的研究，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，在不同巖性圍巖中加入帶有橫肋間距的錨桿進行拉拔的數(shù)值模擬。

1 模型建立及計算參數(shù)

1.1 模型建立

GTS/NX是MIDAS IT開發(fā)的一款巖土工程分析的有限元軟件[9-10]，擁有強大的幾何建模功能；FLAC3D是采礦工程常用的有限元分析軟件，具有強大的計算功能和模擬能力，但前處理功能較為復(fù)雜。運用GTS/NX建立巖體、錨固劑、錨桿模型，將建立的有限元的模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入到FLAC3D中。其中，圍巖模型為400 mm×400 mm×2 500 mm(長×寬×高)；托盤為200 mm×200 mm×20 mm(長×寬×高)；模型中錨桿長度為2 m，直徑為20 mm；根據(jù)三徑匹配原則[11-13]，設(shè)定鉆孔直徑為26 mm。模型中巖體的單元大小為16 mm，其他單元大小為4 mm。FLAC3D模型的內(nèi)外部直觀圖，如圖1所示。

圖1 FLAC3D模型直觀圖Fig.1 FLAC3D model

1.2 材料屬性及力學參數(shù)

為了使數(shù)值模擬更加貼近現(xiàn)場實際狀況，在巖體模型中施加22.5 MPa水平應(yīng)力[14]，固定模型頂面。以50 kN拉力拉伸巖體底面，通過改變錨桿橫肋間距，模擬橫肋間距不同的錨桿在圍巖中的拉伸狀態(tài)。由于錨桿、托盤、螺母是鋼材料，仿照崔千里、林健在FLAC3D中本構(gòu)模型的選取[15]，在FLAC3D中鋼材料采用彈性本構(gòu)模型，其所需的物理力學參數(shù)包括泊松比、密度、楊氏模量；錨固劑和巖土選擇莫爾-庫倫本構(gòu)模型[16]，其巖石力學參數(shù)包括抗拉強度、體積模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力，具體參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)

2 模擬方案

2.1 軟巖試驗結(jié)果

泥巖是一種常見的軟巖，其成分與構(gòu)造和頁巖相似且較不易碎。在泥巖中的模擬結(jié)果見表2。根據(jù)數(shù)據(jù)得出，錨桿延伸長度平均值為3.30 mm；泥巖底面下沉量的平均值6.69 mm，隨著橫肋間距的增大，錨桿拉伸長度整體呈下降趨勢；隨著桿體橫肋間距的增大，泥巖下沉量呈無規(guī)律波動，如圖2(a)所示。當桿體橫肋間距為40 mm時，泥巖體模型底面下沉量達到最小值6.636 4 mm，此時泥巖相對最為穩(wěn)定且錨桿延伸長度及泥巖底面下沉量比平均值低。在錨桿桿體不同高度設(shè)置探測點，顯然隨著探測高度的降低錨桿測點的下沉量逐漸增大，且呈非線性疊加，如圖2(b)中顯示，隨著探測點的增大錨桿桿體拉伸符合4次函數(shù)規(guī)律，當擬合曲線呈4次函數(shù)時，誤差較小，比較符合模擬結(jié)果值。

表2 軟巖試驗結(jié)果

圖2 軟巖測點數(shù)據(jù)折線Fig.2 Line chart of measuring point data in soft rock

2.2 中硬巖試驗結(jié)果

細砂巖是一種中硬巖，具有堅硬、脆性斷裂特征。由數(shù)據(jù)得出，錨桿拉伸長度平均為4.25 mm，見表3。細砂巖底面下沉量平均為8.30 mm，隨著橫肋間距的增大，錨桿拉伸長度整體呈上升趨勢。隨著桿體橫肋間距的增大，細砂巖下沉量呈無規(guī)律波動，如圖3(a)所示，當桿體橫肋間距為30 mm時細砂巖模型底面下沉量達到最小值6.636 4 mm，此時細砂巖相對最為穩(wěn)定且錨桿伸長率及細砂巖底面下沉量低于平均值。通過記錄錨桿桿體不同高度設(shè)置探測點，結(jié)果顯示，隨著探測高度的降低錨桿測點的下沉量逐漸增大，仍呈非線性疊加，圖3(b)中顯示，隨著探測點的增大錨桿桿體拉伸符合4次函數(shù)規(guī)律，當擬合曲線呈4次函數(shù)時，誤差較小，比較符合模擬結(jié)果值。

表3 中硬巖試驗結(jié)果

圖3 中硬巖測點數(shù)據(jù)折線Fig.3 Line chart of measuring point data in medium hard rock

2.3 硬巖試驗結(jié)果

砂巖是一種沉積巖，結(jié)構(gòu)顆粒比較粗，硬度比較高，但是比較脆。經(jīng)計算，錨桿拉伸長度平均值為9.90 mm，見表4。砂巖底面下沉量的平均值為32.86 mm，如圖4(a)所示，當桿體橫肋間距為45 mm時，錨桿桿體拉伸長度為9.829 mm，砂巖模型底面下沉量為32.799 mm，此時砂巖錨桿伸長率及砂巖底面下沉量低于平均值。探測點表明，顯然隨著探測高度的降低錨桿測點的下沉量逐漸增大，如圖4(b)所示，仍呈非線性疊加，且擬合曲線呈4次函數(shù)時，誤差較小。

表4 硬巖試驗結(jié)果

圖4 硬巖測點數(shù)據(jù)折線Fig.4 Line chart of measuring point data in hard rock

3 結(jié)論

(1)在巖性相同的巖體中，選用橫肋間距不同的錨桿產(chǎn)生的支護效果不同；隨著巖性強度的增加，相同拉拔力作用下，錨桿延伸長度加大。

(2)模擬結(jié)果表明，在軟巖、中硬巖和硬巖中，選擇橫肋間距為40 mm、30 mm和45 mm的錨桿有利于增強巖體穩(wěn)定性。

(3)通過擬合錨桿探測點豎直方向位移變化，模型中錨桿拉伸呈4次函數(shù)規(guī)律變化；錨桿橫肋間距的選擇應(yīng)該與現(xiàn)場實際相結(jié)合，巖性不同所需錨桿最優(yōu)橫肋間距也隨之變化。