摘　要：高峰礦大部分巷道采用管縫錨桿支護，但受巷道支護環境以及防腐措施不當影響，支護的管縫錨桿常因腐蝕而失效，需要進行二次支護，大大增加了支護成本和勞動強度。玻璃鋼錨桿具有高強、輕質、耐腐蝕和抗疲勞的優點，能有效克服錨桿易腐蝕的問題。通過采用FLAC^3D有限差分軟件對高峰礦管縫錨桿和玻璃鋼錨桿支護進行數值分析，對比了2種錨桿在相同支護條件下的巷道變形、巖體應力場、塑性區以及安全度，充分分析了2種錨桿在高峰礦巷道的支護效果。研究表明高峰礦采用玻璃鋼錨桿取代管縫錨桿進行支護具有可行性。
關鍵詞：管縫錨桿 玻璃鋼錨桿 數值模擬 巷道支護

　　高峰礦區由于地質構造作用，局部礦巖破碎，巷道穩定性較差。為了保證生產安全，實施了頂板穩定性分級管理制度，采取多種方式維護巷道及采場穩定性。其支護方式主要有錨網支護、噴錨支護等，支護錨桿采用管縫錨桿。通過支護措施有效防止了巷道及采場頂板垮冒，但在錨網支護過程中存在錨桿錨固力不足、布置參數無序和易腐蝕等問題，導致支護錨桿和金屬網沒有對巖體形成完整的支護壓縮帶，沒有有效利用巖體自身穩定能力，因而不能有效地阻擋巷道表層巖體和金屬網的脫落，而錨桿腐蝕嚴重損害桿體的塑性變形能力和承載力，一旦實際載荷超過錨桿的承載力，錨桿就會突然斷裂，由于錨桿在斷裂前經歷的變形短暫，難以及時觀察和監測，極易造成突發的災難性事故。管縫錨桿主要的防腐措施是噴漿封閉，增加了支護成本和勞動強度。為保證支護結構的安全性和耐久性，需要一種耐腐蝕、高強度的新型錨桿取代傳統管縫錨桿。玻璃鋼錨桿即玻璃纖維增強塑料錨桿是由玻璃纖維與樹脂組成的復合材料，充分發揮了玻璃鋼纖維高強度抗拉性能。這種新型材料具有與巖體相近的彈性模量，物理力學性質良好，而且有耐腐蝕、可切割、還可以節約鋼材，在國外已獲得推廣應用。目前，玻璃鋼錨桿在國內的煤礦及邊坡支護中取到了一定的研究和應用，在金屬礦山的應用尚未成熟。本研究運用FLAC^3D有限差分元程序，利用其內置的結構單元分別模擬管縫錨桿與玻璃鋼錨桿，對比分析兩者在巷道開挖后的支護效果，驗證玻璃鋼錨桿在高峰礦巷道支護中的可行性。

1　巷道支護數值模擬

1.1　巷道地質概況
　　研究巷道位于礦體下盤，-151 m水平脈外巷，該水平礦體近于南北走向，向南西方向側伏。在礦段東側52號～II號勘探線之間的3號礦段東側，發育有1條破碎帶，走向與礦體近于平行。從研究巷道揭露的巖性來看，巷道圍巖以生物礁灰巖為主，灰色～深灰色厚層，塊狀結構，層理不發育，呈近南北向的帶狀分布。生物礁灰巖巖石質量應為中等，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級結構面發育，總體上方解石膠結不好，巖體較破碎，巷道須支護。構造應力作用明顯，σ_H=40～50 MPa，σ_V=17 MPa，測壓系數λ=2～3。
1.2　計算模型的建立
　　模型單元的劃分直接影響到數值模擬的精度。一般而言，單元網格越密，網格數量也越多，精度也越高，但對計算機要求也越高。通常在巷道周圍附近區域，單元劃分得密些，其他區域可以稀些。按照從模型外邊界到巷道逐漸加密的原則，且考慮到邊界效應的影響，模型沿巷道斷面方向取32 m×32 m×10 m(寬×高×長)，共102000個單元，108381個節點。計算模型如圖1所示。

　　在給定邊界條件時，模型的前邊界、后邊界、左邊界、右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為0；模型的底部邊界施加垂直約束，即邊界的水平、垂直位移均為0，模型頂部為自由邊界。研究巷道圍巖主要為生物礁灰巖。礁灰巖屬于彈塑性材料，數值計算采用摩爾-庫侖屈服準則。巖體參數如表1所示。計算中對于模型開挖后的空區選用FLAC^3D內置的空模型(Null)，對于開挖前以及開挖后的非空區部分都采用摩爾-庫侖塑性模型。

1.3　錨桿單元的選擇及支護參數的確定
　　在FLAC^3D中有2種單元可以用來模擬錨桿：錨索單元(cable)和樁單元(pile)。錨索單元通過結構單元和巖體之間的摩擦以及自身的強度提供承載力，且只能承載軸向的拉伸和壓縮載荷。通常情況下，錨索單元適合模擬徑向錨桿和預應力錨桿，這類錨桿主要提供軸向承載力。樁單元與錨索單元主要不同在于除了可以提供軸力外，還可以承載彎矩。其承載能力大小與結構單元和巖體之間的摩擦、結構單元自身的強度、結構單元的剛度以及結構單元的橫截面積有關。根據FLAC^3D內置結構單元的特點，采用cable單元模擬玻璃鋼錨桿，pile單元模擬管縫錨桿。錨桿參數通過現場試驗和工程經驗所得，如表2所示。試驗巷道支護錨桿采用“梅花形”布置，奇數排布置5根，偶數排布置6根，排距1 m，錨桿軸向方向與巷道壁垂直。玻璃鋼錨桿的直徑為18 mm，長2000 mm，管縫錨桿的直徑為40 mm(內徑36 mm)，長度2000 mm。數值計算中2種錨桿都采用相同的支護參數，以對比分析其支護效果。

2　計算結果及分析

2.1　巷道變形分析
　　從表3錨桿支護各測點大位移可以看出：巷道開挖支護后四周都出現明顯的收縮變形。與采用管縫錨桿相比，采用玻璃鋼錨桿支護后，巷道頂板各部位的變形量略有下降；兩幫的水平位移量基本相等；巷道底板處的大底鼓量一樣?？傮w來說，采用玻璃鋼錨桿支護后巷道頂板的下降位移比管縫錨桿的略小，對頂板變形控制效果玻璃鋼錨桿要略優于管縫錨桿。

　　從圖2中可以看出，采用管縫鋪桿支護后巷道在初期變形較大，然后變形速率減慢直到趨于穩定，大位移為5.18 mm。玻璃鋼錨桿支護后巷道的變形更加緩慢，收斂時間更長，位移量更小，大位移量為4.40 mm。說明采用玻璃鋼錨桿支護后，通過托盤和螺母給鋪桿施加預緊力，變被動支護為主動支護，有利于協調圍巖的收縮變形，提高了支護結構的穩定性。

2.2　巖體應力場分析
　　從圖3(a)中可以看出，巷道開挖采用管縫鋪桿支護后，在巷道的頂底板出現拱形的壓應力集中，由巷道淺部向深處壓應力逐漸增加，同時在巷道頂底板部位出現一定的拉應力區域，但拉應力區分布較小，拉應力集中區域的大值為0.513 MPa。在巷道兩側出現很大的壓應力集中區，其壓應力值要大于頂底板的壓應力值，且向巷道兩側深部有一定延深。大壓應力值出現在幫腳處，大值達到-41.1 MPa，這表明巷道不同部位發生破壞是受不同應力引起的。在巷道頂底板主要是拉應力引起破壞，而在巷道兩側是受壓應力引起的破壞。由圖3(b)可知，采用玻璃鋼錨桿支護后圍巖的垂向應力場特征與采用管縫錨桿支護有基本一致，表明無論采用哪種錨桿支護，巖體應力場總體分布規律基本一致。

2.3　巖體塑性區分析
　　塑性區是指發生剪切破壞和拉伸破壞的區域。巷道圍巖的位移，就是破裂帶的塑性變形造成的。巷道的塑性區范圍越大，巷道變形破壞越嚴重。從圖4(a)可以看出，采用管縫錨桿支護，在巷道四周均出現了塑性狀態，頂板與底板的塑性區較大，兩幫次之，并向巷道深部有一定的延伸，總體上呈“長軸為垂直方向的橢圓”分布。巷道塑性區破壞形式以剪切破壞為主，巷道淺部區域有小范圍拉伸破壞。如圖4(b)所示，采用玻璃鋼錨桿支護，塑性區破壞同樣以剪切破壞為主，表明塑性區的剪切破壞與天然地應力和巖體自身的性質有關，支護方式對其響不大。但采用玻璃鋼錨桿支護后，巷道頂板部位塑性區延伸面積明顯比采用管縫錨桿支護的要小，其延伸深度小約0.4 m左右。說明玻璃鋼錨桿通過錨固劑與圍巖相互作用，提高了圍巖強度，有效改善了圍巖的塑性狀態。

2.4　巖體安全度分析
　　計算中采用莫爾-庫侖屈服準則判斷巖體的破壞。單元安全度的實質是表征該單元與屈服面的偏離程度，即該單元材料抵抗其進入塑性狀態的能力。安全度為1時處于臨界狀態；安全度越大，安全性越好。安全度分布直觀明了的說明巷道的穩定程度，進而說明支護結構可靠性的大小。從圖5(a)可以看出，采用管縫錨桿支護后安全度低值為0.980，低值出現在巷道的頂板和兩幫處，單元的安全度從巷道壁向圍巖深處逐漸增大。從圖5(b)可以看出，采用玻璃鋼錨桿支護后安全度的低值為0.988，低值也出現在巷道頂板和兩幫處，但比采用管縫錨桿支護后巷道圍巖的安全度略有提高。說明采用玻璃鋼錨桿支護后，提高了支護結構的可靠性。

3　結　論

　　數值計算的結果表明：在相同的支護條件下，玻璃鋼錨桿對巷道的支護效果略優于管縫錨桿，采用玻璃鋼錨桿支護有利于發揮圍巖自身承載力，能有效克服管縫錨桿錨固力不足和易腐的問題，有利于提高支護結構的安全性和耐久性。另外玻璃鋼錨桿價格低廉，采用玻璃鋼錨桿替代傳統鋼質管縫錨桿，將為高峰礦業節約大量成本，達到支護效果和經濟效益的優化。