深部回采巷道锚杆直径作用规律数值模拟研究
随着社会煤炭的需求量不断增大，浅部资源日益枯竭，故已开始转入深部开采。
随着煤矿开采深度的增加，深部岩体处于“三高一扰动”的复杂地质环境，相继深部开采巷道出现巷道底臌严重、围岩变形量大等一系列工程问题，对深部的资源开采提出了严峻的考验。
有关人员针对煤矿深部回采巷道支护技术进行了理论分析、数值模拟计算及现场试验，解决了许多理论难题及工程关键技术。
工程实践表明，由于深部巷道的环境复杂，在设计锚杆时大多数使用工程类比法，不能准确地把握锚杆的使用情况。
本文主要对巷道支护中锚杆的直径进行研究，采用FLAC 3D数值模拟方法，分析不同直径大小的锚杆对巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律。
标签：深部回采想到；锚杆；直径
1 数值模拟模型与参数
为了研究锚杆直径对现场支护效果的影响，本次试验在现场使用的基本参数的基础上，分别对锚杆直径为16mm、18mm、20mm、22mm、24mm等5种情形进行了模拟来研究巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律。
数值模拟根据实际工程地质条件，采用弹塑性材料模式，附加摩尔库仑屈服准则，建立模拟区域的长×宽×高=50m×50m×30m，。
本模型限制其侧向和底部处的位移；在上表面施加25MPa的荷载，围岩弱化系数50%建模，模拟上覆岩体的自重条件。
模拟中巷道所处的深度为987m，锚杆材料的弹性模量210GPa，泊松比0.3。
采用控制变量方法，固定锚杆长度为2800mm，间排距为800mm×800mm。
利用有限差分软件FLAC 3D，深入揭示巷道开挖后巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律。
2 数值模拟结果及分析
为了分析研究巷道支护后围岩变形特征，不同直径的锚杆作用模拟所得的塑性区云图如图1所示。
图1 不同锚杆直径时围岩塑性区云图
从图1中可以看出，随着锚杆直径的增大，围岩塑性区范围在逐渐减小；不同锚杆直径的支护对塑性区围岩的破壞方式及破坏状态有所改变。
施加锚杆后顶底板中央和两帮中央塑性变形较大，为了方便分析，不同锚杆直径作用时发生的最大围岩水平及竖直位移变化曲线如图2所示。
图2 不同锚杆直径作用时围岩竖直及水平位移变化曲线
从图2中可以看出，随着锚杆直径的增加，围岩变形的控制效果也逐渐明显。
上述曲线变化趋势说明，随着锚杆直径的增大，巷道围岩顶板、底板和帮部的最大位移量在减小。
3 锚杆直径优化分析
巷道支护设计，主要是选择确定合理的支护形式和支护参数。
如果支护形式和支护参数选择不合理，就会造成两个极端：一是支护强度太高，浪费材料和工时；二是支护强度不够，造成偏帮冒顶事故。
因此，正确合理地选择支护形式和参数是支护设计的最终目标。
一般来说，在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿着巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。
在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。
因此，锚杆支护的关键在于获得较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。
表1 组合拱厚度与锚杆间排距建议取值
围岩松动圈现场测试表明，朱集西煤矿巷道松动圈范围基本为200～250 cm，松动圈范围较大，为了有效地控制巷道围岩的变形，应该增加锚杆的长度，尽量让锚杆锚固在顶板稳定岩层中。
锚杆锚固力计算：
P锚=？仔×？准孔×？滓’×L锚（1）
式中，取值为0.03m；取值2.5MPa；取值为0.5m。
则有：kN。
锚杆直径应该满足下面不等式：
d？叟35.52■ （2）
式中，？滓t取值为500MPa。
代入式2，求得锚杆直径应该满足：
d？叟17.24mm （3）
根据表1，则本设计中锚杆直径取值22mm时，支护效果的影响差别很小，说明锚杆已经能够发挥很好的补强支护作用。
4 结束语
4.1 数据模拟结果表明，随着锚杆直径变大，巷道支护后的无效加固区逐渐减小，巷道围岩表面位移也逐渐减小。
总的来说相对较大直径的锚杆支护巷道后，巷道稳定性高、变形小、塑性区范围小且分布较为均匀。
4.2 针对朱集西煤矿的地质条件，巷道支护设计时的锚杆直径取值22mm时，已能够发挥很好的补强支护作用，能有效避免支护强度太高、支护强度不够和材料浪费等问题。
参考文献
[1]贺永年，韩立军，邵鹏，等.深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].中国矿业大学学报，2006，35（3）：288-295.
[2]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2803-2813.
[3]刘高，聂德新，韩文峰.高应力软岩巷道围岩变形破坏研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19（6）：726-730.
[4]何满潮，袁和生，靖洪文，等。
中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.。