可回收锚杆使用支护稳定性的分析

张 军

（晋能控股集团煤业集团四台矿综采一队， 山西 大同 037000）

引言

煤矿井下开采作业离不开锚杆对巷道的支护作用，我国的煤矿分布广泛，对锚杆的需求及使用量巨大。锚杆的结构简单、易于施工，具有较强的可靠性，但是在施工后永久的埋存于地下中，造成地下空间的污染及一次性成本的浪费等问题[1]。随着锚杆支护技术的发展，通过设定解锁机构或者先进的注浆工艺实现锚杆的整体或部分可回收，从而形成可回收的锚杆，可以解决锚杆埋存地下的问题[2]。可回收锚杆进行支护对施工的要求较高，作为新型的支护技术，其加固使用的机理与常规使用的锚杆不同，对其使用过程中的稳定性可具有较高的要求。针对可回收锚杆的使用，采用数值模拟的形式将普通锚杆替换成可回收锚杆[3]，对其支护的稳定性进行分析，从而为可回收锚杆的推广使用提供技术参考及指导。

1 可回收锚杆支护模型的建立

可回收锚杆在我国的使用尚处于起步阶段，采用数值模拟的方法可在一定程度上检验可回收锚杆的工作性能。采用PLAXIS 3D 有限元分析软件对锚杆的使用性能进行分析，PLAXIS 3D 是进行岩土分析的专用仿真软件[4]，具有强大的建模及分析功能，具有多种岩土的本构模型，可模拟岩土的结构及是送过程，对锚杆的施工及支护过程中岩土与锚杆之间的相互作用及动载荷进行模拟分析[5]，在多种岩土工程中具有广泛的应用。

对锚杆支护的工程稳定性进行分析，采用HSS本构模型建立土体的模型，模型为弹塑性的双曲线模型，选定的工程案例基坑开挖的平均深度为10～13 m，采用可回收锚杆进行支护，锚索共设有4 排，注浆体的直径为150 mm，1～2 排支护自由段及锚固段的长度分别为4 m、11 m，第4 排为构造措施，自由段为3 m，锚固段为8 m。锚杆杆体均采用粘结型钢绞线，施工过程中采用M20 水泥进行二次注浆锚固[6]。

建立土体的基本模型，选定长度为32 m，宽度为4.5 m，已经土层的地质条件设定各土层的厚度，杂填土为1.6 m，粉质黏土为10.1 m，卵石层为9.3 m，采用创建面的形式模拟施工阶段土体不同的开挖程度，开挖分为4 步，第一步的开挖深度为2.5 m，2～3 步开挖3 m，最后一步开挖至坑底[7]。坡面与水平面的夹角为73°，挡土板的厚度为100 mm，在建模过程中，将所采用的立柱、横梁及挡土板等进行相应的简化，设定为250 mm 的弹性板单元，面层与土体的分割面采用相交和聚类的命令进行模拟，分步进行激活从而模拟开挖的步骤[8]。

锚杆的支护竖向及水平的间距分别为3 m、2 m，长度均为15 m，自由段为4 m，设计锚杆的锁定值为120 kN，采用点对点锚杆的形式进行模拟，可以在施工阶段进行预应力的设定，材料为弹性材料[9]，建立支护结构的模型如图1 所示。依据不同岩层的厚度，分别设定锚固段的桩侧摩擦力以表示桩土间的作用力，粉质黏土层为28 kN，卵石层为58 kN，锚杆在不同的土层间采用相应的摩擦力进行设置相应的锚杆长度[10]。

图1 锚杆支护模型

对所建立的模型进行网格划分，采用中等大小的网格单元对模型进行自动网格划分处理，在LAXIS 3D 软件中可对局部网格进行自动细化以提高计算的准确性，经检查网格无误后，可进行分阶段的加载施工。

2 可回收锚杆支护的稳定性结果分析

在分阶段施工过程中，自动创建Initial phase 阶段，保持参数一致，创建开挖1—开挖4 共四个施工阶段，在开挖1 阶段，激活第一排的可回收锚杆的锚固段、自由段及相应的板单元，并消除该阶段土体在自重力作用下产生的位移影响，后续的开挖阶段通过停用该阶段的土体并激活相应的支护结构即可，直至开挖4 阶段开挖至坑底，对不同施工阶段坡顶的位移变化进行分析[11]。

对不同施工阶段的坡顶的位移进行分析，得到如图2 所示的坡顶的水平及竖直方向的位移变化曲线，其中水平方向正向位移表示向靠近基坑的方向变形，负向位移表示远离基坑的位移变形，竖直方向正向位移表示隆起变形，负向位移表示下降变形。

图2 不同施工阶段的边坡位移

从图2 中可以看出，随着开挖后土体上的载荷逐渐减小，下部的土体产生隆起，使得开挖1、2 阶段的水平位移变形分别为-0.5 mm、-0.7 mm，在开挖3 阶段中为2.5 mm，开挖结束时的最大水平位移为9.5 mm；竖向位移在开挖的1、2 阶段表现为隆起变形，分别为3.3 mm、3.5 mm，开挖3 阶段的下降值为0.1 mm，开挖结束时的最大下降值为7.2 mm。在开挖过程中，坡顶的位移变化为随基坑开挖深度的增加，水平位移及竖向位移均逐渐增加，该工程的坡顶最大位移均在规定的变形范围内，能够满足试验的要求[12]。

对边坡的竖向位移进行分析，竖向最大位移的分布如图3 所示，在坡面上存在竖向位移的零点，随着土体的开挖，使得土体在重力及内部挤压应力的作用下向着基坑的方向移动，在锚杆支护的作用下达到新的平衡状态，零点之上表现为下降变形，零点之下表现为隆起变形；随着上部土体开挖深度的增加，土体上的附加压力减小，内部应力释放达到新的平衡状态造成土体的隆起，其中在坡脚位置的隆起变形抵消部分的竖向位移，靠近坡顶位置处的下降明显，坡面的竖向位移零点位于10.5～12 m 的标高范围内，距坡顶约2/3 处，以该位置处作坡面的平行面为分界面，则此分界面至基坑底部的主要变形为隆起变形，距离坑底的隆起变形越大，最大值为24.9 mm，分界面至远离基坑区域的主要变形为下降，距离分界面越远则下降值越小，但在X 轴距离坡顶位置处的沉降值最大，最大值为9.1 mm。

图3 边坡竖向位移变化云图

3 结语

煤矿开采过程中离不开锚杆的支护作用，随着锚杆使用量的增加，容易造成地下空间的污染。采用可回收的锚杆进行巷道等施工过程的支护，是解决这一问题的有效方式。针对可回收锚杆的使用，采用数值模拟的方法对可回收锚杆使用的稳定性进行分析，建立了可回收锚杆支护的模型，并对其分步骤进行开挖模拟，得到不同开挖阶段边坡的变形位移量。结果显示，在开挖过程中，坡顶的位移变化为随基坑开挖深度的增加，水平位移及竖向位移均逐渐增加，最大位移量均在工程施工的设计范围内，满足使用的要求。对竖向位移的进一步分析可知，在竖向位移变形中，以新平衡点处为分界面产生隆起及下降的变形，平衡位置在距坡顶约2/3 处。