巷道锚杆支护性能的仿真分析

姜 波

（晋能控股集团云岗矿综采二队， 山西 大同 037000）

引言

煤炭是我国重要的能源形式，由于对煤炭的需求量及开采量巨大，我国的地下煤层的赋存条件复杂多样，具有较大的安全隐患。随着煤矿开采深度的增加，煤矿的巷道支护成为保证煤矿安全开采的重要因素。锚杆支护是煤矿开采支护的主要方式，具有对复杂地形较强的适应性，并可以满足较高的掘进速度，具有较好的支护效果。锚杆支护的设计及施工水平不断提高，但由于支护对象的复杂性，对于锚杆的锚固与围岩相关的关系没有明确的模型进行研究[1]。在煤矿的巷道支护中，锚杆的性能决定了支护的安全，对煤矿的生产具有决定性的作用。在锚杆进行支护的过程中，受到多种因素的影响制约，因此，针对巷道支护中不同的因素对锚杆支护的性能进行分析[2]，从而进一步研究锚杆与围岩的相互作用关系，提高锚杆支护使用的可靠性，保证煤矿的安全生产。

1 锚杆支护仿真模型的建立及参数设定

锚杆应用于煤矿巷道支护中，由于施工过程及煤矿井下环境的复杂性，对锚杆的锚固质量难以进行有效地检测，无法对其安全性能进行直观地判断。锚固质量发生问题往往造成煤矿的安全事故，对锚杆进行拉拔试验成为检测锚固质量的重要手段。树脂锚固剂由多种化学试剂组成，是煤矿巷道支护中广泛的黏接性锚固材料[3]。采用树脂锚固体的主要失效形式可以分为黏接失效、围岩失效、杆体破坏失效及配件失效。黏接失效出现的比例占到我国锚杆支护失效类型的80%以上，这是锚固过程中锚固层与锚杆之间的相互作用复杂，造成多种形式的黏接失效[4]。针对带有空洞树脂锚固造成的黏接失效，对锚杆的性能进行分析，从而优化设计使用过程，提高锚固的质量。

采用ABAQUS 有限元分析软件对锚杆支护的性能进行模拟，ABAQUS 具有丰富的岩土本构模型，在岩土工程、地质等研究中具有广泛的应用。ABAQUS具有较强的网格剖分能力，可对复杂的模型进行超单元的剖分[5]，然后进行网格的划分，实现对岩土工程问题的精确分析。

以带有空洞树脂锚固模型对锚杆的性能进行分析，依据工程现场的支护参数并考虑边界效应的影响作用，建立锚固体的圆柱体尺寸直径1.6 m、高1.5 m，采用ABAQUS 建立数值计算模型并进行对称性设置。对锚杆在支护过程中的应力分布及围岩的稳定性等进行分析，在模型中设定监测线，对锚杆的应力进行监测[6]，得到如图1 所示的锚固模型，其中X 方向表示圆柱岩体的垂直方向，Y 方向表示锚杆锚固方向。

图1 锚杆锚固模型（单位：mm）

带有空洞树脂锚固模型采用弹性模型，锚杆及锚固层之间采用interface 命令进行实现，依据使用的锚杆及锚固剂的材质及现场围岩的性质，设定锚杆的泊松比为0.25，剪切强度为195 000 MPa；围岩的泊松比为0.24，剪切强度为20 000 MPa；锚固树脂的泊松比为0.3，剪切强度为2 274 MPa[7]。对锚杆、树脂锚固层及围岩模型进行网格划分处理，采用ABAQUS 中适用于大变形分析的CAX4R 进行单元网格的划分处理，可以适用于较大的网格扭曲，且不会降低计算的精度。

2 不同参数对锚杆支护性能的影响仿真分析

在锚杆进行支护的过程中，受到多种因素的作用形成锚固系统的拉拔，在拉拔过程中容易造成锚固系统的失效。由于锚杆支护中不同参数的尺寸效应，对失效造成影响，针对巷道支护的不同因素[8]，主要包括锚杆直径D、锚固层厚度t 及空洞长度L0等进行锚杆性能的分析，从而优化锚杆支护参数的设计选用[9]，提高锚固的稳定性。

2.1 不同锚杆直径的锚杆应力分析

对锚杆直径的影响作用进行分析，选取5 种不同直径的锚杆进行锚杆应力的模拟，得到如图2 所示的锚杆在锚固方向上的应力分布，从图2 中可以看出，在不同的锚杆直径时所受到的应力作用随着距离的增加，差值逐渐增大；在拉拔作用下，随着锚固距离的增加，锚杆所承受的应力逐渐增加[10]，在不同的锚杆直径下，相同位置处锚杆的直径越大，则所受到的应力作用越小，即锚杆的直径越大，则锚杆所能承受的拉拔力作用越大，支护的性能越好。

图2 不同锚杆直径下沿锚固方向的锚杆应力变化

2.2 不同锚固层厚度的锚杆应力分析

对锚固层厚度的影响作用进行分析，选取5 种不同锚固厚度的支护进行锚杆应力的模拟，得到如图3所示的锚杆在锚固方向上的应力分布，从图3 中可以看出，在不同的锚固层厚度时锚杆所受到的应力作用整体相差不大，随着锚固距离的增加，应力差值进一步逐渐减小；在拉拔作用下，随着锚固距离的增加，锚杆所承受的应力逐渐增加，在不同的锚固层厚度下，相同位置处锚固层厚度越小[11]，则锚杆所受到的应力作用越小，即锚固厚度相对越小，则锚杆所能承受的拉拔力作用越大，支护的性能越好。

图3 不同锚固层厚度下沿锚固方向的锚杆应力变化

2.3 不同空洞长度的锚杆应力分析

对空洞长度的影响作用进行分析，选取5 种不同空洞长度的支护进行锚杆应力的模拟，得到如图4 所示的锚杆在锚固方向上的应力分布，从图4 中可以看出，在不同的空洞长度时锚杆所受到的应力作用整体相差不大，在空洞长度最大0.30 m 时的应力值较大，随着锚固距离的增加，应力差值进一步逐渐减小；在拉拔作用下，随着锚固距离的增加，锚杆所承受的应力逐渐增加，在不同的空洞长度下，相同位置处空洞长度越小，则锚杆所受到的应力作用越小，即空洞长度越小，则锚杆所能承受的拉拔力作用越大，支护的性能越好。

图4 不同空洞长度下沿锚固方向的锚杆应力变化

3 结论

1）锚杆的直径越大、锚固层的厚度相对越小、空洞的长度越小，则空洞树脂锚固中锚杆受到的应力越小，越能承受较强的拉拔作用，锚固的效果越好。

2）在实际设计应用中，受到施工过程及成本的限制，锚杆直径及锚固层厚度不能任意地进行增大或减小，需对锚杆的直径、锚固层厚度及空洞的长度进行合理匹配，从而达到最佳的锚固效果，保证煤矿的支护安全。