锚杆预紧力对围岩支护效果的数值模拟

邓 强,张召千

(太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

锚杆支护作为一种典型的主动支护方法被广泛应用于地下工程之中,目前国内外锚杆支护均十分重视预紧力的作用。在20世纪70年代末,美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用,实现了锚杆的高预紧力支护。随后,我国学者对锚杆预紧力的作用进行了较深的研究。研究表明:当预紧力达60 kN～70 kN时,就可有效控制巷道顶板下沉,而无需减少锚杆间排距。本文利用数值模拟分析研究锚杆预紧力对围岩力学特性及支护效果的影响[1]。

1 建模

本次建模巷道直接顶为中砂岩,老顶为粉砂岩,底板为泥岩,为近水平煤层。根据现场地质调查和实验室提供的岩石力学试验结果,模拟计算采用的岩体力学参数如表1所示。

表1 煤层及顶底板岩层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal seams and roof and floor strata

2 数值模拟分析

2.1 FLAC3D应用程序简介

FLAC3D采用拉格朗日差分算法及混合离散划分单元技术,使得该程序可用于求解有关深基坑、边坡、基础、坝体、隧道、地下采场以及硐室的应力分析,也可用来进行动力分析,因此在国际岩土领域非常流行。

FALC3D内部含有多个力学模型,如摩尔-库仑模型,应变硬化/软化模型等,用以模拟高度非线性,不可逆等地质材料的变形特征。另外,FALC3D为岩土工程问题的求解开发了相互作用的结构单元, 如隧道衬砌、锚杆/锚索等的受力与变形等。FALC3D内嵌的fish语言能够让用户定义新的变量和函数, 以用于满足不同的岩土工程问题[2-3]。

本文模拟的巷道采用摩尔-库仑模型,锚杆锚索采用结构单元,并且用fish语言loop循环模拟锚杆锚索的位置。FLAC3D的求解过程见图1。

图1 FLAC3D的求解过程Fig.1 FLAC3D solution process

2.2 数值模型

模型模拟范围为30 m×30 m×30 m,由于岩石和煤是粘结状散体材料,所以本构模型选择为Mohr-Coulomb模型。约束条件:在x方向上的两边界x方向位移固定,在y方向上的两边界y方向位移固定,z方向下边界z方向上固定,上边界无约束[4]。锚杆直径选用22 mm,长度取2.4 m,间排距取为0.8 m。锚索直径取22 mm,长度取7 m,间距为2.4 m[1]。主要模拟巷道锚杆支护施加预紧力和没有施加预紧力的情况下,通过围岩变形和围岩应力分析围岩的力学特性变化及支护效果。采用锚杆锚索联合支护,巷道锚杆支护方案图见图2,巷道模型图见图3。

图2 巷道锚杆支护方案图Fig.2 Bolt supporting plan in the roadway

图3 巷道模型图Fig.3 Model diagram of the roadway

3 数值模拟结果分析

3.1 巷道围岩变形分析

当给锚杆施加预紧力为114 kN时,从图4和图5可以看出顶底板的垂直位移在减小了10.25%。锚杆没有加预紧力时,巷道顶板最大垂直位移为120.82 mm,底板的垂直位移为132.98 mm。锚杆施加预紧力时,巷道顶板最大垂直位移为108.68 mm,底板的垂直位移为116.78 mm。顶板的下沉量减小了11.14 mm,底鼓量减小了28.2 mm。可见,对锚杆施加预紧力能够有效控制顶板围岩变形,增强围岩承载能力。

图4 预紧力为114 kN时顶底板的垂直位移图Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock with pretension at 114 kN

图5 无预紧力时顶底板的垂直位移图Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock without pretension

当给锚杆施加预紧力为114 kN时,从图6和图7可以看出两帮水平位移在减小了10.4%。锚杆没有施加预紧力时,巷道两帮最大水平位移分别为172.66 mm和172.85 mm;锚杆施加预紧力时,巷道两帮水平最大位移为156.39 mm和156.26 mm。可见,对锚杆施加预紧力能够有效控制两帮围岩变形,增强围岩承载能力。

图6 预紧力为114 kN时围岩的水平位移图Fig.6 Horizontal displacement of surrounding rock with pretension at 114 kN

图7 无预紧力时围岩的水平位移图Fig.7 Horizontal displacement of surrounding rock without pretension

巷道的顶板以及两帮的位移随预紧力的变化如图8和图9。可见当预紧力加到一定值后,巷道的位移变化不明显[5-7]。

图8 巷道顶板位移变化曲线Fig.8 Roof displacement variation in the roadway

3.2 巷道围岩应力分析

当给锚杆施加预紧力为114 kN后,从图10和图11可以看出顶板表面的最大压应力值提高了大约10%。表明预紧力可以有效减少顶拉破坏和早期离层。预紧力是锚杆支护中的关键因素,是区别主动支护还是被动支护的关键参数,只有高的预紧力的锚杆支护才是真正的主动支护,才能充分发挥锚杆的支护作用。

图9 巷道两帮位移变化曲线Fig.9 Displacement variation of two sides in the roadway

图10 无预紧力时围岩的垂直应力图Fig.10 Vertical stress of surrounding rock without pretension

图11 预紧力为114 kN时围岩的垂直应力图Fig.11 Vertical stress of surrounding rock with pretension at 114 kN

4 结论

1)当给锚杆施加预紧力为114 kN后,可抑制围岩的变形,顶板的下沉量减少了10.25%、顶板的底鼓量减少了24.1%以及两帮的移近量减少了10.4%。

2)当给锚杆施加预紧力为114 kN后,发现顶板表面的最大压应力值提高了大约10%。

3)给锚杆、锚索施加预紧力后,巷道的主动支护能力得到了提高，大大改善了巷道的支护效果。