预紧力及间排距影响下的锚杆(索)附加应力场研究

李 鹏

(山西能源学院，山西省晋中市，030600)

应力场是分析巷道围岩变形与破坏、围岩与支护体共同作用的关键。锚杆(索)预紧力和间排距会对其附加应力场产生显著影响。

韦四江等采用相似模拟手段对锚固体强度强化特征进行分析，结果表明其峰值强度和残余强度强化系数与锚杆预紧力呈正相关。韦四江等采用数值模拟手段对锚固体的形成与失稳进行研究，得出附加应力随锚杆间距减小而增大，随预紧力增大而增大。刘爱卿等经过相似模拟对锚杆加固作用进行研究，得出节理岩体的初期剪切刚度随着预紧力提高而增大。李志兵等通过建立力学模型对预紧力与预紧力矩的关系进行研究，给出了相应数学表达式。笔者以华烨煤业5号煤层为研究对象，采用数值模拟手段，对预紧力及间排距影响下的锚杆(索)附加应力场进行分析研究，研究了单根锚杆(索)附加应力场形态、附加应力峰值随预紧力变化规律、锚杆群附加应力分布随间排距变化规律、锚杆(索)附加应力场随锚杆布置方式变化规律以及锚杆(索)共同作用机理，对采用最优支护方案的巷道进行了现场围岩变形观测。

1 模型建立

华烨煤业5号煤层平均埋深370 m，平均厚度6 m，地层倾角3°～6°，煤体及围岩软弱破碎。工作面长度150 m，采用综采放顶煤工艺，生产能力1.2 Mt/a。根据地质报告内容，采用FLAC3D数值模拟软件建立x向(巷道宽度方向)×y向(巷道轴向)×z向(巷道高度方向)=44 m×20 m×43 m的模型，利用局部加密方式划分网格。围岩采用莫尔—库伦模型分析计算，锚杆(索)采用cable单元模拟，并通过pretension关键字施加预紧力，删除并重建刚性连接模拟托盘。为研究锚杆(索)附加应力场，模型初始条件为：地应力赋值为0，重力加速度为0，模型外部面采用限制法向位移。采用group关键字与delete关键字沿煤层(厚度6 m)底板布置宽×高=4 m×3 m的巷道，如图1所示(图中绿色模块为煤层巷道)。岩石物理力学参数见表1。

图1 数值模型示意图

岩石名称容重/g·cm-3抗拉强度/MPa泊松比弹性模量/GPa内聚力/MPa内摩擦角/(°)中砂岩2.635.130.2923.6212.9130.1砂质泥岩2.376.110.3312.037.3326.7粉砂岩2.613.160.2333.929.8723.2泥岩2.322.910.2217.326.5125.35号煤层1.390.370.213.311.3226.1砂质泥岩2.535.720.2312.7210.3123.3细粒砂岩2.626.710.3523.67131127.9粉砂岩2.565.230.3130.156.2126.1

2 单根锚杆(索)附加应力场

2.1 模拟方案

为研究预紧力影响下单根锚杆(索)在巷道围岩中的附加应力场，在巷道顶板中部垂直向上打一根锚杆或锚索，进行平衡计算。锚杆的几何参数为：ø22 mm×2200 mm，锚索的几何参数为ø20 mm×7000 mm。锚杆预紧力分别为20 kN、40 kN、60 kN、80 kN和100 kN，锚索预紧力分别为40 kN、80 kN、120 kN、160 kN和200 kN。

2.2 锚杆(索)附加应力场形态

选取预紧力均为40 kN的锚杆(索)进行对比分析，其产生的附加应力等值面如图2所示。

图2 锚杆(索)附加应力等值面图

由图2可知，在相同预紧力情况下，锚杆(索)托盘附近附加应力峰值相近，但远离托盘时，锚索附加应力降低较快；锚杆(索)锚固段附近出现附加拉应力，且锚索附加拉应力无论在数值和范围上，都显著较锚杆大；锚杆(索)附加应力值均在锚固段尾部(下部)附近接近于0。这说明锚杆(索)产生的附加压应力集中在托盘附近，并向围岩深部逐渐减小，可有效抑制围岩原生裂隙的张开与滑移；对围岩加固不利的附加拉应力集中在锚固段及其上部区域，应避免使此区域包络岩层分隔面。

2.3 预紧力影响下的锚杆(索)附加应力峰值

由于不同预紧力下锚杆(索)应力场形态相近，选取应力峰值作为因变量来描述预紧力对附加应力场的影响，并将其绘入坐标系，如图3所示。

图3 预紧力影响下的锚杆(索)附加应力峰值

由图3可知，在误差范围内可认为锚杆(索)附加应力峰值随预紧力增大而线性增大。这表明预紧力对发挥锚杆(索)支护能力是至关重要的，增大预紧力可在较低成本条件下大幅提升锚杆(索)支护能力。

3 间排距影响下的锚杆附加应力场

3.1 模拟方案

为研究间排距影响下锚杆在巷道围岩中引起的附加应力场，固定锚杆预紧力为60 kN，锚索预紧力为120 kN，对间排距分别为600 mm×600 mm、800 mm×800 mm和1000 mm×1000 mm的3种方案进行分析。

3.2 模拟结果

不同间排距影响下的锚杆附加应力场如图4所示。由图4可知，3种间排距方案下，锚杆均在围岩浅部形成附加压应力区，但均匀程度及连续程度随间排距增大而减小；根据应力等值线，锚杆在围岩中引起的附加应力场范围随间排距增大而不断减小；3种方案下，锚杆生成的拉应力区(白色等值线范围内)均包络了岩层分隔面，这对抑制顶板离层起到了相反的作用，对巷道支护极为不利。

图4 不同间排距影响下的锚杆附加应力场

4 锚杆(索)附加应力场

4.1 模拟方案

为研究锚索布置方式对锚杆(索)附加应力场的影响，固定锚杆间排距为800 mm×800 mm。对锚索布置方式分别为“二二”、“三花”和“五花”的3种方案进行分析。

4.2 模拟结果

不同锚索布置方式的锚杆(索)附加应力场如图5所示。

图5 不同锚索布置方式的锚杆(索)附加应力场

对比图5与图4可知，3种锚索布置方案下，锚索均显著扩大了锚杆产生的压应力区，且范围随锚索密度(“五花”>“二二”>“三花”)增大而不断增大；“二二”布置与其他方案相比，巷道顶板中部压应力较小，而巷道顶板中部的变形破坏往往最为显著，因此这种方案较差；3种方案下，锚索均消除了锚杆锚固段附近的附加拉应力，而使此区域进入压应力区，这表明锚索可显著减小锚杆尾部会差生拉应力的弊端，对抑制顶板离层、维护巷道围岩稳定是必不可少的。

5 现场应用

综合考虑破碎围岩、强烈回采扰动等情况，以及矿方对安全生产的要求，采用间排距为600 mm×600 mm的锚杆(预紧力60 kN)，“五花”布置(预紧力100 kN)方案对50301工作面上下平巷进行支护，并对轨道平巷围岩变形量进行监测，结果如图6所示。

图6 巷道表面位移监测结果

监测结果显示，测站距工作面<40 m时，巷道表面位移量快速增大。自测站建立时算起，测站距工作面40 m时，轨道平巷顶底板移近量为52 mm，两帮移近量为73 mm；测站距工作面0 m时(即该处巷道即将报废时)，顶底板移近量为239 mm，两帮移近量为337 mm。这表明该巷道受采动强烈，但所采用的方案将围岩变形控制在了较小的范围内。

6 结论

(1)单根锚杆(索)产生的附加压应力集中在托盘附近，并向围岩深部逐渐减小，可有效抑制围岩原生裂隙的张开与滑移；产生的附加拉应力集中在锚固段附近及其上部区域，应避免使此区域包络岩层分隔面。

(2)在误差范围内可认为锚杆(索)附加应力峰值随预紧力增大而线性增大。增大预紧力可在较低成本条件下大幅提升锚杆(索)支护能力。

(3)锚杆群在围岩浅部形成附加压应力区，其均匀程度、连续程度以及影响范围随间排距增大而减小。

(4)锚索可显著扩大锚杆产生的附加压应力区，并消除锚杆锚固段附近的附加拉应力，而使此区域进入压应力区，这对抑制顶板离层、维护巷道围岩稳定是十分重要的。