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《陜西煤炭雜志》2014年第二期

1物理力學參數確定

一般情況下，煤巖體的性質參數都小于煤巖塊的性質參數，其比值都要小于1，就定義這個比值為減小因子。而對于泊松比，煤巖體的取值要比煤巖塊大，它們的比值定義為增大因子。本文采用表1所示的煤巖體性質參數減小因子。模型介質的力學參數和煤相符，此處選取回采巷道介質為中等強度的煤體，模型介質的物理力學參數見表2，錨桿選用不同直徑的螺紋鋼，由于鉆孔直徑與錨桿直徑之差以6～10mm為宜，7～8mm最好，所以鉆孔直徑選為28mm，采用樹脂錨固劑，錨桿用cable單元模擬，其物理力學參數見表3和表4。托盤材料為A3鋼，屈服極限240MPa，強度極限400MPa，彈性模量200GPa，泊松比為0．25。

2單根多錨點錨桿數值模擬分析

2．1多錨點錨桿對巖體應力及變形的影響多錨點錨桿對巖體應力的影響:通過對不同工況數值模擬計算結果分析，得到以下結論，①預應力錨桿張拉力在錨桿托盤周邊的煤巖體中形成一個壓應力集中區，可稱為表層壓縮區，該應力集中區的范圍沿錨桿徑向約為1～1．2D左右(D為托盤邊長)，沿錨桿軸向為0．3～0．4m;在內錨頭周邊煤巖體為似“杯形”的拉壓應力區，除拉應力區外，模型內全為壓應力區所覆蓋，說明加錨后改善了煤巖體的應力狀態;②因為托盤的彈性模量遠大于模型介質的彈性模量，所以托盤相對可視為剛體介質，使得托盤下的煤巖體的軸向應力等值線形狀為“鐘形”;③多錨點錨桿在錨點處形成明顯的應力集中區，隨著錨點的增加，應力集中區域也隨之增多，并呈現出間隔特點，隨著錨頭端至托盤端延伸，錨點處最大集中應力值也逐漸減小;同時，在預應力值不變的情況下，隨著錨點的增多，各錨點的最大集中應力值也隨之減小，說明錨桿的預應力分布到了多個錨點上，從而降低了預應力對錨桿作用;④在預應力值相同的情況下，隨著錨點的增加，托盤處巖體中的最大應力值逐漸減小，說明多錨點錨桿可以承受更大的預應力值;⑤在相同預應力條件下，隨著錨桿直徑的增加，錨點處的應力集中輪廓逐漸趨于不明顯，且有明顯降低趨勢，說明多錨點的錨固性能有所增加;⑥在相同預應力條件下，隨著錨桿直徑的增加，托盤處巖體的最大應力值明顯減小，即多錨點的錨固性能明顯增加，同時對托盤的作用也明顯小于單錨點錨桿。多錨點錨桿對巖體的變形影響:①由不同預應力五錨點錨桿位移特征圖可知，五錨點錨桿對巖體變形影響較大的范圍處于端頭的三個錨點處，且隨著錨點向托盤處延伸，錨點對巖體的變形影響逐漸變小;②隨著預應力的增大，錨桿對巖體變形的影響程度明顯增加，但對錨點變形影響范圍變化較小，同時托盤處巖體的變形也明顯增加。

2．2多錨點錨桿體的軸力特征從圖3～圖5中可看出:端頭錨固錨桿錨固段的軸力為單調下降曲線。由于端頭錨固錨桿存在自由段，在錨桿的張拉過程中，錨固段軸力一般不會受到托盤反向壓力的影響，因而錨固段軸力在錨固段始端有最大值，末端有最小值，表現為單調下降衰減很快的曲線。自由段應力值變化較小。預應力相同時:無論是自由段還是錨固段，雙錨點錨桿的軸力均明顯小于單錨點錨桿，但多錨點情況下，隨著錨點的增加，錨桿的軸力變化特征有所不同，特別是在錨桿的自由段區域，其軸力呈增加趨勢，其中三錨點與四錨點、五錨點軸力值差距較大，而在錨固段則成相同的特征。在預應力相同的條件下，隨直徑的增加，多錨點錨桿自由段的軸力曲線變化有降低趨勢，在錨桿錨固區域則特征相同。預應力變化:隨著預應力的增加，錨桿自由段的軸力曲線變化出現不同的特征，預應力增大使錨桿軸力有明顯增大趨勢，在錨點區域軸力曲線則表現為變化趨勢相同，但該范圍的軸力有小幅增加。

2．3錨桿群對巖體力學性態影響通過模擬得出多錨點錨桿加固的軸向應力與位移等值線圖(圖6)。由結果可看出:①在每根錨桿的外錨頭處的壓應力集中區有互相疊合而進一步形成壓縮帶的趨勢。壓縮帶的分布形態與錨桿布置方式、密度(間排距)、托盤的大小以及預應力的大小有關。沿錨桿徑向的應力環也相互疊加，出現群錨的壓縮加固帶，在表面一定深度內近似表現為橢球狀區域，并在錨點區域形條形應力疊加區域;②由于預應力群錨的相互作用，使得錨點段末端附近的煤巖體形成壓應力區，同時壓應力區域的聯合也將有助于改善內錨頭的拉應力區分布;③錨桿間距較大時，對軟弱巖層的錨固只能起到單根獨立錨桿錨固，錨固范圍小，隨著錨桿間距變小，錨桿各個壓應力區域出現疊加，形成了錨桿群聯合錨固系統，起到了更好的錨固效果;④多錨點較端錨可以更有效地增加錨桿的錨固長度和錨固范圍，通過模擬結果可以看出，多錨點錨桿群在其錨固范圍內應力疊加效果明顯，且疊加長度大，在錨桿長度方向上有效地提高了圍巖的強度，而端錨則范圍較小，對增加大范圍圍巖強度效果較差。同樣，在托盤處的巖體應力亦可以看出，多錨點錨桿的錨固效果明顯好于端錨錨桿。

3結論

(1)預應力相同的情況下，多錨點錨桿在錨點處形成明顯的應力集中區，隨著錨點的增加，間隔應力集中區域也隨之增多，各個應力集中程度也明顯減小;隨著錨點的增多，各錨點的最大集中應力值也隨之減小，說明錨桿的預應力分布到了多個錨點上，從而降低了預應力對錨桿作用;托盤處巖體中的最大應力值也逐漸減小，即多錨點錨桿可以承受更大的預應力值而保證托盤不破壞。隨著錨桿直徑的增加，錨點處的應力集中輪廓逐漸趨于不明顯，說明多錨點的錨固性能有所增加;托盤處巖體的最大應力值明顯減小，即多錨點的錨固性能明顯增加，同時對托盤的作用也明顯小于單錨點錨桿。(2)端頭錨固錨桿錨固段的軸力為單調下降曲線;在單錨點與雙錨點情況下，無論是自由段還是錨固段，雙錨點錨桿的軸力均明顯小于單錨點錨桿，但多錨點情況下，隨著錨點的增加，在錨桿自由段的錨桿軸力，呈增加趨勢，其中三錨點與四錨點、五錨點軸力值差距較大，而在錨固段則成相同的特征;在預應力相同的條件下，隨直徑的增加，多錨點錨桿自由段的軸力曲線變化有降低趨勢，在錨桿錨固區域則特征相同。(3)多錨點錨桿群在其錨固范圍內應力疊加效果明顯，疊加長度大，有效地提高了圍巖的強度，同樣，在托盤處的巖體應力亦可以看出，多錨點錨桿的錨固效果明顯好于端錨錨桿。

作者：李鵬博解盤石劉挺單位：陜西省煤炭研究所西安科技大學能源學院