薛应登，殷博超

(陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西 神木 719300)

0 引言

锚杆支护技术是巷道支护的主要手段[1]。近年来，螺纹钢锚杆在煤矿中得到广泛使用，锚杆本身的强度也越发受到重视[2]。锚杆强度的主要影响因素有：锚杆钢材的强度、不同的加工工艺以及外形的影响[3]。但是，由于钢材的强度直接影响材料的成本，所以成品锚杆会在满足国家标准及支护需求的前提下，选择适宜的钢材；另一方面煤矿对锚杆的需求量极大，考虑到加工时间及工艺复杂程度，通常会选择热压处理并自然冷却，因此，锚杆杆体外形优化可以实现在不增加材料成本的前提下，适当的提升锚杆本身强度并提升被锚固岩体的稳定性[4]。

目前，在国际上全长锚固是锚杆支护的主要手段[5]。国内关于锚杆外形优化的研究仍处于试验阶段，林健等[6]对锚杆外形优化进行了研究，通过ANSYS模拟锚杆、锚固剂关系得出不同横肋间距锚杆拉拔力-位移关系曲线；康红普等[7-8]通过FLAC3D模拟锚杆、锚固剂及岩体的关系，得出不同载荷下锚杆、锚固剂、岩体应力分布。结合学者对锚杆横肋间距的研究，运用FLAC3D数值模拟软件，在不同岩性围岩中加入带有横肋间距的锚杆进行拉拔的数值模拟。

1 模型建立及计算参数

1.1 模型建立

GTS/NX是MIDAS IT开发的一款岩土工程分析的有限元软件[9-10]，拥有强大的几何建模功能；FLAC3D是采矿工程常用的有限元分析软件，具有强大的计算功能和模拟能力，但前处理功能较为复杂。运用GTS/NX建立岩体、锚固剂、锚杆模型，将建立的有限元的模型划分网格后导入到FLAC3D中。其中，围岩模型为400 mm×400 mm×2 500 mm(长×宽×高)；托盘为200 mm×200 mm×20 mm(长×宽×高)；模型中锚杆长度为2 m，直径为20 mm；根据三径匹配原则[11-13]，设定钻孔直径为26 mm。模型中岩体的单元大小为16 mm，其他单元大小为4 mm。FLAC3D模型的内外部直观图，如图1所示。

图1 FLAC3D模型直观图Fig.1 FLAC3D model

1.2 材料属性及力学参数

为了使数值模拟更加贴近现场实际状况，在岩体模型中施加22.5 MPa水平应力[14]，固定模型顶面。以50 kN拉力拉伸岩体底面，通过改变锚杆横肋间距，模拟横肋间距不同的锚杆在围岩中的拉伸状态。由于锚杆、托盘、螺母是钢材料，仿照崔千里、林健在FLAC3D中本构模型的选取[15]，在FLAC3D中钢材料采用弹性本构模型，其所需的物理力学参数包括泊松比、密度、杨氏模量；锚固剂和岩土选择莫尔-库伦本构模型[16]，其岩石力学参数包括抗拉强度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力，具体参数见表1。

表1 材料力学参数

2 模拟方案

2.1 软岩试验结果

泥岩是一种常见的软岩，其成分与构造和页岩相似且较不易碎。在泥岩中的模拟结果见表2。根据数据得出，锚杆延伸长度平均值为3.30 mm；泥岩底面下沉量的平均值6.69 mm，随着横肋间距的增大，锚杆拉伸长度整体呈下降趋势；随着杆体横肋间距的增大，泥岩下沉量呈无规律波动，如图2(a)所示。当杆体横肋间距为40 mm时，泥岩体模型底面下沉量达到最小值6.636 4 mm，此时泥岩相对最为稳定且锚杆延伸长度及泥岩底面下沉量比平均值低。在锚杆杆体不同高度设置探测点，显然随着探测高度的降低锚杆测点的下沉量逐渐增大，且呈非线性叠加，如图2(b)中显示，随着探测点的增大锚杆杆体拉伸符合4次函数规律，当拟合曲线呈4次函数时，误差较小，比较符合模拟结果值。

表2 软岩试验结果

图2 软岩测点数据折线Fig.2 Line chart of measuring point data in soft rock

2.2 中硬岩试验结果

细砂岩是一种中硬岩，具有坚硬、脆性断裂特征。由数据得出，锚杆拉伸长度平均为4.25 mm，见表3。细砂岩底面下沉量平均为8.30 mm，随着横肋间距的增大，锚杆拉伸长度整体呈上升趋势。随着杆体横肋间距的增大，细砂岩下沉量呈无规律波动，如图3(a)所示，当杆体横肋间距为30 mm时细砂岩模型底面下沉量达到最小值6.636 4 mm，此时细砂岩相对最为稳定且锚杆伸长率及细砂岩底面下沉量低于平均值。通过记录锚杆杆体不同高度设置探测点，结果显示，随着探测高度的降低锚杆测点的下沉量逐渐增大，仍呈非线性叠加，图3(b)中显示，随着探测点的增大锚杆杆体拉伸符合4次函数规律，当拟合曲线呈4次函数时，误差较小，比较符合模拟结果值。

表3 中硬岩试验结果

图3 中硬岩测点数据折线Fig.3 Line chart of measuring point data in medium hard rock

2.3 硬岩试验结果

砂岩是一种沉积岩，结构颗粒比较粗，硬度比较高，但是比较脆。经计算，锚杆拉伸长度平均值为9.90 mm，见表4。砂岩底面下沉量的平均值为32.86 mm，如图4(a)所示，当杆体横肋间距为45 mm时，锚杆杆体拉伸长度为9.829 mm，砂岩模型底面下沉量为32.799 mm，此时砂岩锚杆伸长率及砂岩底面下沉量低于平均值。探测点表明，显然随着探测高度的降低锚杆测点的下沉量逐渐增大，如图4(b)所示，仍呈非线性叠加，且拟合曲线呈4次函数时，误差较小。

表4 硬岩试验结果

图4 硬岩测点数据折线Fig.4 Line chart of measuring point data in hard rock

3 结论

(1)在岩性相同的岩体中，选用横肋间距不同的锚杆产生的支护效果不同；随着岩性强度的增加，相同拉拔力作用下，锚杆延伸长度加大。

(2)模拟结果表明，在软岩、中硬岩和硬岩中，选择横肋间距为40 mm、30 mm和45 mm的锚杆有利于增强岩体稳定性。

(3)通过拟合锚杆探测点竖直方向位移变化，模型中锚杆拉伸呈4次函数规律变化；锚杆横肋间距的选择应该与现场实际相结合，岩性不同所需锚杆最优横肋间距也随之变化。