巷道围岩支护锚杆应力分布的研究分析

杨鹏飞

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

引言

锚杆支护技术被广泛应用于各种矿山工程的加固及地下开采中，锚杆的受力对巷道的安全具有决定性的影响[1-2]。在煤炭的开采中，由于煤炭沉积的分层及与围岩的结构差异，容易引起围岩的沉降不同，从而在围岩层面上产生离层，引发安全事故。文章对离层作用对锚杆的受力影响进行分析，从而判定顶板的稳定性，提高锚杆支护的效果，控制围岩的离层作用，保证煤矿开采的安全[3-4]。

1 离层作用下锚杆受力作用分析及模型建立

在巷道挖掘的过程中，围岩的不协调变形造成顶板产生离层，使得锚固结构产生轴向的拉力，从而影响锚杆的受力。锚杆在进行布置的过程中，其角度并不总是垂直于顶板，当存在一定的安装角度时，离层对锚杆的作用力更加复杂，不仅存在拉应力作用，还存在着一定的剪切应力的作用[5-6]。在实际的应用过程中，由于煤矿地质结构的复杂性，锚杆倾斜的工况更为多见。当锚杆与离层存在一定的倾斜角度时，锚杆的变形如图1 所示，在倾斜离层的作用下，锚杆产生“S”形的变形。

图1 锚杆受倾斜离层作用变形示意图

采用离散元分析的方式对锚杆的受力作用进行分析，UDEC 软件可以用于模拟非连续的介质，在采矿及岩土工程等领域具有广泛的应用。采用UDEC软件对锚杆的应力进行分析，建立锚杆分析的模型，设定岩层的模型为3 m×2 m，采用的锚杆直径为20 mm，锚杆的长度为2 m，将岩层分为泥岩层及粉砂层，根据离层的位置，设定节理面距离孔口不同的位置为0.5 m。设定模型的边界条件为上下边界施加垂直方向的位移约束，左侧施加水平方向的位移约束，建立如图2 所示的模型图，由此可对离层作用下的锚杆应力分布进行分析。

图2 离层位置距离孔口0.5 m 处的模型图

2 离层作用下锚杆应力分布的仿真模拟

2.1 垂直锚杆应力分布的模拟分析

在UDEC 中设定块体采用各向同性弹性模型，并设定材料的摩擦角及抗拉强度，由此对锚杆的应力作用进行仿真模拟，得到如下页图3 所示的锚杆的轴应力及剪切应力的分布图。从图3 中可以看出，在弹性状态及弹塑性状态下，锚杆的应力分布具有较大的差别，弹塑性分析过程中，节理面随着剪切位移的增加而产生一定的破坏，使得锚杆的应力分布产生变化；锚杆的应力沿着节理面的位置变化，离层的位置对于锚杆的应力作用具有直接的影响。

图3 垂直锚杆的轴应力及剪切应力的分布

2.2 倾斜锚杆应力分布的模拟分析

对锚杆倾斜时的工况进行模拟分析，在离层相同的位置处，设定倾斜离层与锚杆的夹角为10°～90°之间，当夹角为60°时的模型如图4 所示。对此时的锚杆应力进行分析，得到如图5 所示的锚杆的应力变化图。

图4 锚杆与离层夹角为60°的模型图

从图5 中可以看出，在倾斜离层的作用下，锚杆的应力作用沿着倾斜的方向分布，且在弹性状态下，锚杆的轴应力及剪切应力均呈现较大的变化，存在较大的梯度；在弹塑性状态下，锚杆的应力值分布较为平稳，在离层位置处的变化梯度较小。改变锚杆与离层位置的不同夹角值，对其锚杆的轴力进行统计并作图，得到如图6 所示的锚杆的轴应力与离层夹角的关系曲线。

图5 倾斜锚杆的轴应力及剪切应力的分布

图6 锚杆轴应力与离层夹角的关系曲线

从图6 中可以看出，改变锚杆与离层的夹角值，夹角较小的情况下，产生的轴应力较小，随着夹角值的增加，则锚杆的轴应力逐渐增加，锚杆起到的抗拉作用越明显。当锚杆与离层的夹角较小时，此时锚杆主要受到剪切应力的作用，发挥抗剪性能。由此可知，在进行锚杆的支护时，随着离层倾斜角度的不同，对于锚杆的布置角度及锚杆的选择要进行一定的优化，从而最大程度地发挥锚杆的性能，提高支护性能，保证围岩巷道的稳定性。

3 结语

采用UDEC 软件离散元分析的方式，对垂直及倾斜作用离层作用下的锚杆的应力变化进行分析。结果表明，锚杆的应力沿着节理面的位置变化，离层的位置对于锚杆的应力作用具有直接的影响；存在倾斜离层时，夹角较小时，锚杆主要发挥抗剪作用，随着角度的增加，锚杆主要发挥抗拉作用。由此，进行锚杆的布置时，应依据地质的变化，合理的选择锚杆的安装角度及选择合适的锚杆直径，从而最大程度地发挥锚杆的性能，提高支护性能，保证围岩巷道的稳定性，提高煤矿开采的安全性。