曹 刚，潘小虎，刘 勇

（山西潞安郭庄煤业，山西 长治 046000）

引言

在进行矿井开采的过程中，锚杆支护技术是保障工程稳定和增加岩体强度的重要方式。锚杆支护的方法随着应用技术水平的提高得到了不同程度的提高，在进行锚固的过程中，由于岩层环境的复杂性，使得锚杆的受力较为复杂，不易直接进行锚固力的计算及测量[1]。锚固长度是影响锚杆支护能力的重要因素，锚固段长度的不同对于锚固的应力分布及锚固力大小具有重要的影响。采用数值分析的方式对锚固长度不同时的锚杆锚固性能进行分析，从而优化锚杆的锚固长度，确定合理的长度设置，提高巷道的支护，保证煤矿等开采的工程质量，提高煤矿安全性[2]。

1 锚杆锚固特性分析模型的建立

在煤矿开采等工程应用中，由于地质环境的复杂性及对测试方法的不足，对于锚固性能的直接测试手段有限，无法获得可靠的数据。随着计算机模拟技术的发展，采用数值模拟的方式对工程问题进行模拟分析取得了广泛的应用，并且具有较好的稳定性、准确度及可操作性，是进行岩土工程分析的重要手段[3]。为分析不同锚固长度下的锚杆受力及围岩的应力变化，采用有限差分软件FLAC3D进行模拟分析。

FLAC3D模拟软件被广泛应用在岩土工程计算领域的，包含多种的材料模型及计算模式，可以快速方便地进行模拟计算分析。采用FLAC3D软件对锚固性能进行分析，首先建立锚杆支护的模型。假定进行分析的模型岩层为同性材料，不考虑岩层的初始应力作用，将锚杆设定为圆钢筋材质[4]。在使用过程中，锚杆受到的拉拔作用力位于外露段的锚杆截面位置，通过锚固段结合锚固剂作用于岩体中，形成多种介质组成的复合体。

依据锚固长度不同的锚固区域不同，选定锚固长度50 cm时的计算模型规模（长×宽×高）为50 cm×20 cm×40 cm，锚杆作用于模型的中心位置，采用环形锚固剂进行固定，采用FLAC3D进行实体建模，并对模型进行网格划分处理，得到如图1所示的锚固模型。研究在拉拔力作用下的锚杆的应力变化及围岩应力，将拉拔力作用设定为作用在端面的集中力，采用接触面单元传递力作用，采用同性弹性材料设置对锚固性能进行分析[5]。

图1 锚杆支护锚固数值计算模型

2 不同锚固长度的锚固性能分析

2.1 不同锚固长度的锚杆应力分布

在相同的拉拔应力下，设定作用于锚杆顶端的作用力为25 kN，选取锚固不同的锚固长度，同时在锚杆的锚固段中选取不同的测试点位置，进行锚杆应力的分布计算。如下页图2所示为在锚固长度为0.4 m时的测试点的位置布置。

对锚固长度为0.4 m时的锚杆应力进行计算，得到如下页图3所示的轴向应力分布及曲线，从图3中可以看出，在锚固的长度较短时，锚杆的应力分布较为均匀，从锚固段开始逐渐向着岩层深部减小，同时与数值计算的结果对比可知，两者具有相同的变化趋势，且拟合结果相近。在起始点位置处的数值相差较大，这是由于在模型中存在一定的自由段设置，载荷作用在自由段上，产生应力的差值[6]。模拟结果能够反映应力的变化规律，进一步增加锚固的长度进行分析。

图2 锚固长度0.4 m时的不同测试点位置分布图

图3 锚固长度0.4 m时的应力分布及变化曲线

图4中所示为锚固长度为0.8 m时的锚杆应力分布及变化曲线，对比图3中的数值可知，随着锚固长度的增加，锚杆的轴向应力传递范围增加，且锚杆自身的最大应力值有所降低；在相同的拉拔载荷作用下，锚固长度的增加能够有效地降低锚固剪应力的数值，同时锚杆的应力分布不均，在前端区域的锚杆应力作用较大，产生一定的应力集中现象。同时，锚杆的应力变化数值与计算分析的趋势保持一致，正确地反映应力变化的规律。

2.2 不同锚固长度的围岩应力分布

对锚固长度为0.4 m时的围岩应力进行分析，得到如图5所示的锚固剂-围岩的应力分布图。对不同锚固长度下的围岩应力进行分析可知，在稳定状态下，界面的剪应力分布集中，主要位于载荷作用近端的小部分区域内，剪应力的分布由近端到远端呈指数状减小；锚固长度不同时，随着拉拔载荷的增加，最大的剪切应力也逐渐增加，其分布区域也随之增加，剪切应力的峰值向远端逐渐转移，仍呈指数分布。在实际应用中，在锚固端口的位置应尽量保证强度，保证起始段的锚固质量，从而可以有效地降低围岩的应力作用，提高锚固性能。

图4 锚固长度0.8 m时的应力分布及变化曲线

图5 0.4 m锚固长度时的围岩应力分布

3 结论

选用FLAC3D有限拆分软件对不同锚固长度下的锚固性能进行分析：对锚杆的应力变化及围岩的应力变化分析可知，在拉拔载荷相同的条件下，锚固长度越短，锚杆的应力分布较为均匀，随着锚固长度的增加，在锚杆的起始段位置出现一定的应力集中；锚固长度较小时，围岩的应力数值较大，应力分布均匀，随着锚固长度增加，围岩应力向着锚固的起始位置出现应力集中，向着深度方向呈指数减小的趋势。因此，在实际的工程应用中，应综合考虑围岩的地质条件，选取合适的锚固长度，并对锚固起始段的强度进行加强，有效地提高了锚固质量，保证了工程质量及安全。