预应力作用下的斜交锚固支护模拟

预应力作用下的斜交锚固支护模拟

王飞

关键词：斜交布置；围岩加固；FLAC3D模拟；

0引言

一直以来，关于巷道中锚杆布置产生的应力集中区和巷道两帮的收敛模拟均基于布设沿巷道壁面垂直的锚杆，很少有人对锚杆与巷道壁面呈一定角度的倾斜布置方式产生的应力集中区和巷道两帮收敛进行数值模拟。朱维申曾提出了一种斜交锚固方法，本文在此基础上进行数值模拟研究。

1锚杆在支护中作用

锚杆在支护中的作用可以归纳总结为以下三种模式：①使破坏或潜在破坏范围的煤岩体被动地悬吊；②在锚固区内形成梁、层、拱或壳等结构；③使锚固区内围岩力学性能与应力状态有效改善，能够控制围岩的变形与破坏。

巷道开挖以后，应力状态发生巨大变化，出现受拉与受剪区域。通过锚杆受拉给围岩施加一定的压应力，来改善围岩的应力状态。对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力，通过对巷道围岩布置锚杆的方式提高了巷道围岩的强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学性质。

2FLAC3D模拟传统的锚杆布置与锚杆斜交布置

采用FLAC3D数值分析软件模拟传统锚杆布设和锚杆斜交布设，建立的模型尺寸为30m×30m×18m，建立的巷道尺寸为5m×30m×3m。模型共有54750个单元，61051个节点，对巷道附近周边网格进行加密。

为了研究巷道布置锚杆后受预应力影响的应力区分布特点，提出两种不同的锚杆布置方案进行分析比较：

2.1锚杆垂直壁面布置

顶板锚杆共6根，间距900mm；单帮锚杆共3根，间距900mm。排距为1000mm。共30排。下文简称A类布置，锚杆的布置方式如图1所示。

图1锚杆垂直壁面布置示意图

2.2锚杆斜交布置

顶板倾斜锚杆共6根，间距900mm；单帮倾斜锚杆共3根，间距900mm。排距为1000mm。共30排。下文简称B类布置，锚杆的布置方式如图2所示。

图2锚杆斜交布置示意图

锚杆弹性模量为200GPa，直径为22mm，长度为2.4m，屈服荷载为190kN，拉断荷载为254kN，锚固长度为1m，施加预应力为100kN。从图2看出，锚杆斜交布置的锚杆布设角度相反向，且与巷道周边法向夹角为±22.5°。传统的锚杆布置均垂直巷道壁面打入；斜交布置奇数排均与巷道法向成+22.5°打入，偶数排均与巷道法向成-22.5°打入（逆时针为正）。

3模拟效果分析

一般分析锚杆与锚索支护作用的模型是在原岩应力下开挖巷道，然后安装锚杆和锚索，巷道周围应力状态重新分布，围岩发生变形和破坏，锚杆与锚索受力、变形。但是，围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大的多。因此，锚杆与锚索支护在围岩中产生的应力场被完全覆盖，无法进行分析与研究，采用康红普等提出的在无原岩应力条件下进行模拟，两个模拟方案仅锚杆布设有区别，其它条件均相同。对两个方案在模型y=15垂直剖面处截图，分别截取受锚杆预应力影响的最大主应力，并用Tecplot软件进行处理。

3.1A类布置模拟效果分析

A类布置的最大主应力分布范围呈蝶形。顶板中心处压应力集中明显，应力达到峰值，影响范围为3m，一部分较小的压应力延伸到顶板深处1.5～2.5m。巷道两帮的压应力区范围较小为0.5～1m，顶角处对称分布一小块拉应力集中区域数值较低，在底角处有明显的拉应力集中区，左帮底角处更为明显。距离底板深部1m处同样对称分布较大一块压应力集中区，数值较大，分布孤立。

3.2B类布置模拟效果分析

B类布置的最大主应力大多为压应力，且分布范围较A类布置更广，在顶板中心处出现较多层的应力集中，巷道顶板均处于压应力集中区，峰值应力主要集中在巷道中心处，应力向顶板深处延伸范围广达到2～2.5m，分布均匀。巷道两帮顶角处的拉应力区仍然存在，不过范围较A类布置有所减小，拉应力集中区有向巷道壁深处转移。

3.3A类和B类布置方式模拟效果对比分析

比较A类布置与B类布置，B类布置在锚杆施加预应力条件下产生较广泛的最大主应力集中区，压应力集中区相互连接，这对改善巷道支护有利。A类布置的在巷道中部产生较B类布置很大的应力峰值，这与A类布置在此处布置二根垂直巷道壁面锚杆有关。两帮顶角与底角处拉应力区仍然存在，B类布置在拉应力区产生峰值较A类布置小，尤其在底角处更为明显，说明B类布置对于控制底板较A类布置有优势。

在巷道顶板和巷道右帮上各布置9个和7个监测点，用来监测巷道顶板与巷道右帮在锚杆作用下引起的位移量，从而辅助判断二种布置方式的支护效果。得出A类布置引起的位移量始终比B类布置的位移量要大，顶板处更为明显，可知在顶板处布置A类锚杆对巷道顶板的控制较好；在巷道两帮A类布置与B类布置引起的位移量相差很小，结合二类布置的最大主应力分布图可知，B类布置可以明显减小底角处拉应力区的峰值，对控制底板底鼓明显优势。

4结论与展望

1)倾斜交叉锚杆的布置方式在无原岩应力条件受锚杆预应力影响产生大范围的压应力集中区将对今后的巷道支护有利；锚杆垂直壁面布置在顶板处能对围岩产生较大的压应力，巷道顶板处支护效果会比倾斜交叉布置好。锚杆斜交布置对顶角和底角附近的拉应力区峰值有明显降低作用。

2)但数值模拟在原岩应力条件下，锚杆产生的应力场将被原岩应力场覆盖，不利分析不同锚杆布置方式优劣。

3)在模拟基础上，两类布置方式均有优劣，锚杆带来支护领域的新革命，合理有效的布置锚杆是解决巷道支护问题的前提，倾斜交叉布置锚杆是锚杆布置方式一个创新，应结合传统垂直壁面布置锚杆的方式改变巷道支护效果，适应多种巷道形状，充分发挥锚杆的支护作用。