锚杆支护过程中不同因素对支护效果的影响研究

胡丽伟

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司， 山西 太原 030052）

0 引言

煤矿开采过程中，锚杆支护是常用的支护方式，具有施工简单、作业效率高及支护稳定性高的优点[1]。在锚杆进行支护的过程中，由于各种不同的因素作用及地质变化，存在着锚杆失效的问题，对煤矿的安全造成影响。在进行锚杆支护稳定安全分析上[2]，采用仿真分析的形式可以快速地对锚杆支护的效果进行模拟，便于对支护的设计施工提供指导。在模拟分析过程中多采用锚结构单元的形式进行分析，这种分析方式忽略了锚杆的破断行为[3]，当锚杆屈服后不能及时地改变其抗拉强度，从而影响分析结果的准确性[4]。本文采用桩结构单元的形式对锚杆支护过程中不同因素的影响作用进行分析，以提高分析的准确性[5]，为锚杆的支护设计使用提供参考。

1 锚杆支护分析模型的建立

对锚杆的支护效果进行模拟分析，采用FLAC 分析软件建立锚杆的模型，在无围压的条件下锚杆周边的岩体采用圆柱体的形式进行模拟[6]，建立圆柱体样件的直径为0.3 m、长度为1 m，锚杆安装在圆柱体的中间位置，锚杆直径为25 mm、总长度为1.2 m，其中固定在圆柱体内的长度为1 m，建立锚杆的数值分析模型如图1 所示。

图1 锚杆计算分析模型

采用桩结构单元的形式对锚杆的支护效果进行分析，可以融合梁结构及锚结构单元的特点，抵抗锚杆轴向的拉伸变形及侧向上的剪切变形。同时桩结构单元可以模拟锚杆加固特性的扩展[7]，可以通过命令值设置拉伸破坏的应变，当产生锚杆的破断时，可以对锚杆的拉伸破坏进行模拟分析，更加符合实际的变化情况[8]，从而提高计算分析的准确性。

在所建立的锚杆分析模型中，设定本构模型为摩尔- 库伦模型，设定模型的自由度为沿着锚杆的轴向方向，其余方向固定约束[9]。采用自由网格的形式进行网格划分处理。在模型中设定锚杆的泊松比为0.3，杨氏模量为220 GPa，抗拉载荷为200 kN，拉伸破坏应变为10-4，锚固过程中采用的锚固剂的内摩擦角为30°，剪切刚度为108 N/m2，锚固剂单位长度上的黏接力为200 kN/m，锚固剂的惯性矩为3.8×10-8m4，二次惯性矩为1.9×10-8m4。

在桩结构单元的外侧节点上对模型施加大小为10-7m/s、方向沿着锚杆轴向的变化速率，对锚杆的拉拔进行模拟验证，对锚杆上的轴力及外侧节点上的位移进行记录分析。结果表明，在拉拔过程中初始加载阶段[10]，位移与拉拔力呈近似线性的变化；随着加载的增加，位移增加的速度减小；当拉拔位移增加到极值后[11]，桩结构单元发生破断，拉拔力瞬间下降为0。这一变化过程与实际锚杆的变化规律一致，由此说明采用桩结构单元进行锚杆破断行为模拟的可行性[12]，可将其应用于对锚杆的支护效果分析。

2 不同因素对锚杆支护效果的影响作用分析

2.1 锚固剂黏聚力影响作用分析

在锚杆支护过程中，当没有围岩的围压作用时，锚杆的支护阻力主要受到黏聚力的影响作用。为研究不同锚固剂黏聚力对锚杆支护效果的影响作用，在不同的锚固剂黏聚力作用下对锚杆的拉拔力进行模拟分析，设定锚固剂的黏聚力在50～250 kN/m 范围内变动，经过计算分析，得到锚杆的拉拔力变化如图2所示。从图2 中可以看出，在不同的锚固剂黏聚力变化时，对锚杆的承载性能具有较强的影响作用，随着锚固剂黏聚力的增加，锚杆的承载性能随之增加，且在黏聚力大于200 kN/m 时，锚杆受到的阻力作用大于自身的抗拉强度，产生了锚杆的破断。

对图2 中锚杆承载的拉拔力最大值进行分析，得到如图3 所示的锚杆承载力最大值与锚固剂黏聚力的变化曲线。从图3 中可以看出，在锚杆承载的抗拉强度范围内，随着锚固剂黏聚力的增加，锚杆可承受的拉拔力随之增加，此时可以提高锚杆的支护效果；但当承载力大于锚杆的抗拉强度之后，继续增加锚固剂的黏聚力，则锚杆的支护效果不再起作用。这说明，在进行锚杆支护的过程中，应首先保证锚杆具有较高的强度时，通过提高锚固剂的黏聚力可以提高锚杆支护的效果。

图3 锚杆最大承受载荷随黏聚力的变化曲线

2.2 锚固剂内摩擦角影响作用分析

在锚杆支护过程中，当存在围岩的围压作用时，锚杆的支护阻力受到锚固剂内摩擦角的影响作用较大。为研究不同锚固剂内摩擦角对锚杆支护效果的影响作用，在不同的锚固剂内摩擦角作用下对锚杆的拉拔力进行模拟分析，设定锚固剂的内摩擦角在20°～40°范围内变动，经过计算分析，得到锚杆的拉拔力变化如图4 所示。从图4 中可以看出，随着锚固剂内摩擦角的变化，锚杆的承载性能具有一定的变化；随着内摩擦角的增加，锚杆的承载性能具有一定的增加，且当内摩擦角大于30°时，锚杆发生破断。

图4 锚杆支护性能随不同锚固剂内摩擦角的变化曲线

对图4 中锚杆承载的拉拔力最大值进行分析，得到如图5 所示的锚杆承载力最大值与锚固剂内摩擦角的变化曲线。从图5 中可以看出，在锚杆承载的抗拉强度范围内，随着锚固剂内摩擦角的增加，锚杆的最大承载能力随之增加；当内摩擦角大于30°时，达到锚杆自身的强度极限，此时继续增加锚固剂内摩擦角对支护效果的改善作用有限，具体主要受到锚杆自身强度的影响作用。

图5 锚杆最大承受载荷随内摩擦角的变化曲线

3 结论

1）锚杆支护对于煤矿的安全稳定具有重要作用，采用基于桩单元的形式对锚杆的支护效果进行分析，可以模拟锚杆的破断行为，提高分析的准确性。建立了锚杆的分析模型，并验证了锚杆拉拔力随位移的变化仿真符合实际的变化状态。

2）对锚杆支护过程中锚固剂的黏聚力影响作用进行分析，结果表明，黏聚力对锚杆的支护效果具有较强的影响作用。在初始阶段，增加黏聚力可以提高锚杆的拉拔力，改善支护效果；当超过一定范围后，黏聚力对锚杆支护效果的改善作用有限，需提高锚杆自身的强度。

3）当锚杆受到围压作用时，对锚固剂内摩擦角的影响作用进行分析，结果表明，提高锚固剂内摩擦角可以提高锚固的效果；但当超过锚杆自身的强度作用后，继续提高内摩擦角的大小对锚杆支护的效果影响作用有限。