摘　要：高峰矿大部分巷道采用管缝锚杆支护，但受巷道支护环境以及防腐措施不当影响，支护的管缝锚杆常因腐蚀而失效，需要进行二次支护，大大增加了支护成本和劳动强度。玻璃钢锚杆具有高强、轻质、耐腐蚀和抗疲劳的优点，能有效克服锚杆易腐蚀的问题。通过采用FLAC^3D有限差分软件对高峰矿管缝锚杆和玻璃钢锚杆支护进行数值分析，对比了2种锚杆在相同支护条件下的巷道变形、岩体应力场、塑性区以及安全度，充分分析了2种锚杆在高峰矿巷道的支护效果。研究表明高峰矿采用玻璃钢锚杆取代管缝锚杆进行支护具有可行性。
关键词：管缝锚杆 玻璃钢锚杆 数值模拟 巷道支护

　　高峰矿区由于地质构造作用，局部矿岩破碎，巷道稳定性较差。为了保证生产安全，实施了顶板稳定性分级管理制度，采取多种方式维护巷道及采场稳定性。其支护方式主要有锚网支护、喷锚支护等，支护锚杆采用管缝锚杆。通过支护措施有效防止了巷道及采场顶板垮冒，但在锚网支护过程中存在锚杆锚固力不足、布置参数无序和易腐蚀等问题，导致支护锚杆和金属网没有对岩体形成完整的支护压缩带，没有有效利用岩体自身稳定能力，因而不能有效地阻挡巷道表层岩体和金属网的脱落，而锚杆腐蚀严重损害杆体的塑性变形能力和承载力，一旦实际载荷超过锚杆的承载力，锚杆就会突然断裂，由于锚杆在断裂前经历的变形短暂，难以及时观察和监测，极易造成突发的灾难性事故。管缝锚杆主要的防腐措施是喷浆封闭，增加了支护成本和劳动强度。为保证支护结构的安全性和耐久性，需要一种耐腐蚀、高强度的新型锚杆取代传统管缝锚杆。玻璃钢锚杆即玻璃纤维增强塑料锚杆是由玻璃纤维与树脂组成的复合材料，充分发挥了玻璃钢纤维高强度抗拉性能。这种新型材料具有与岩体相近的弹性模量，物理力学性质良好，而且有耐腐蚀、可切割、还可以节约钢材，在国外已获得推广应用。目前，玻璃钢锚杆在国内的煤矿及边坡支护中取到了一定的研究和应用，在金属矿山的应用尚未成熟。本研究运用FLAC^3D有限差分元程序，利用其内置的结构单元分别模拟管缝锚杆与玻璃钢锚杆，对比分析两者在巷道开挖后的支护效果，验证玻璃钢锚杆在高峰矿巷道支护中的可行性。

1　巷道支护数值模拟

1.1　巷道地质概况
　　研究巷道位于矿体下盘，-151 m水平脉外巷，该水平矿体近于南北走向，向南西方向侧伏。在矿段东侧52号～II号勘探线之间的3号矿段东侧，发育有1条破碎带，走向与矿体近于平行。从研究巷道揭露的岩性来看，巷道围岩以生物礁灰岩为主，灰色～深灰色厚层，块状结构，层理不发育，呈近南北向的带状分布。生物礁灰岩岩石质量应为中等，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级结构面发育，总体上方解石胶结不好，岩体较破碎，巷道须支护。构造应力作用明显，σ_H=40～50 MPa，σ_V=17 MPa，测压系数λ=2～3。
1.2　计算模型的建立
　　模型单元的划分直接影响到数值模拟的精度。一般而言，单元网格越密，网格数量也越多，精度也越高，但对计算机要求也越高。通常在巷道周围附近区域，单元划分得密些，其他区域可以稀些。按照从模型外边界到巷道逐渐加密的原则，且考虑到边界效应的影响，模型沿巷道断面方向取32 m×32 m×10 m(宽×高×长)，共102000个单元，108381个节点。计算模型如图1所示。

　　在给定边界条件时，模型的前边界、后边界、左边界、右边界施加水平约束，即边界水平位移为0；模型的底部边界施加垂直约束，即边界的水平、垂直位移均为0，模型顶部为自由边界。研究巷道围岩主要为生物礁灰岩。礁灰岩属于弹塑性材料，数值计算采用摩尔-库仑屈服准则。岩体参数如表1所示。计算中对于模型开挖后的空区选用FLAC^3D内置的空模型(Null)，对于开挖前以及开挖后的非空区部分都采用摩尔-库仑塑性模型。

1.3　锚杆单元的选择及支护参数的确定
　　在FLAC^3D中有2种单元可以用来模拟锚杆：锚索单元(cable)和桩单元(pile)。锚索单元通过结构单元和岩体之间的摩擦以及自身的强度提供承载力，且只能承载轴向的拉伸和压缩载荷。通常情况下，锚索单元适合模拟径向锚杆和预应力锚杆，这类锚杆主要提供轴向承载力。桩单元与锚索单元主要不同在于除了可以提供轴力外，还可以承载弯矩。其承载能力大小与结构单元和岩体之间的摩擦、结构单元自身的强度、结构单元的刚度以及结构单元的横截面积有关。根据FLAC^3D内置结构单元的特点，采用cable单元模拟玻璃钢锚杆，pile单元模拟管缝锚杆。锚杆参数通过现场试验和工程经验所得，如表2所示。试验巷道支护锚杆采用“梅花形”布置，奇数排布置5根，偶数排布置6根，排距1 m，锚杆轴向方向与巷道壁垂直。玻璃钢锚杆的直径为18 mm，长2000 mm，管缝锚杆的直径为40 mm(内径36 mm)，长度2000 mm。数值计算中2种锚杆都采用相同的支护参数，以对比分析其支护效果。

2　计算结果及分析

2.1　巷道变形分析
　　从表3锚杆支护各测点大位移可以看出：巷道开挖支护后四周都出现明显的收缩变形。与采用管缝锚杆相比，采用玻璃钢锚杆支护后，巷道顶板各部位的变形量略有下降；两帮的水平位移量基本相等；巷道底板处的大底鼓量一样。总体来说，采用玻璃钢锚杆支护后巷道顶板的下降位移比管缝锚杆的略小，对顶板变形控制效果玻璃钢锚杆要略优于管缝锚杆。

　　从图2中可以看出，采用管缝铺杆支护后巷道在初期变形较大，然后变形速率减慢直到趋于稳定，大位移为5.18 mm。玻璃钢锚杆支护后巷道的变形更加缓慢，收敛时间更长，位移量更小，大位移量为4.40 mm。说明采用玻璃钢锚杆支护后，通过托盘和螺母给铺杆施加预紧力，变被动支护为主动支护，有利于协调围岩的收缩变形，提高了支护结构的稳定性。

2.2　岩体应力场分析
　　从图3(a)中可以看出，巷道开挖采用管缝铺杆支护后，在巷道的顶底板出现拱形的压应力集中，由巷道浅部向深处压应力逐渐增加，同时在巷道顶底板部位出现一定的拉应力区域，但拉应力区分布较小，拉应力集中区域的大值为0.513 MPa。在巷道两侧出现很大的压应力集中区，其压应力值要大于顶底板的压应力值，且向巷道两侧深部有一定延深。大压应力值出现在帮脚处，大值达到-41.1 MPa，这表明巷道不同部位发生破坏是受不同应力引起的。在巷道顶底板主要是拉应力引起破坏，而在巷道两侧是受压应力引起的破坏。由图3(b)可知，采用玻璃钢锚杆支护后围岩的垂向应力场特征与采用管缝锚杆支护有基本一致，表明无论采用哪种锚杆支护，岩体应力场总体分布规律基本一致。

2.3　岩体塑性区分析
　　塑性区是指发生剪切破坏和拉伸破坏的区域。巷道围岩的位移，就是破裂带的塑性变形造成的。巷道的塑性区范围越大，巷道变形破坏越严重。从图4(a)可以看出，采用管缝锚杆支护，在巷道四周均出现了塑性状态，顶板与底板的塑性区较大，两帮次之，并向巷道深部有一定的延伸，总体上呈“长轴为垂直方向的椭圆”分布。巷道塑性区破坏形式以剪切破坏为主，巷道浅部区域有小范围拉伸破坏。如图4(b)所示，采用玻璃钢锚杆支护，塑性区破坏同样以剪切破坏为主，表明塑性区的剪切破坏与天然地应力和岩体自身的性质有关，支护方式对其响不大。但采用玻璃钢锚杆支护后，巷道顶板部位塑性区延伸面积明显比采用管缝锚杆支护的要小，其延伸深度小约0.4 m左右。说明玻璃钢锚杆通过锚固剂与围岩相互作用，提高了围岩强度，有效改善了围岩的塑性状态。

2.4　岩体安全度分析
　　计算中采用莫尔-库仑屈服准则判断岩体的破坏。单元安全度的实质是表征该单元与屈服面的偏离程度，即该单元材料抵抗其进入塑性状态的能力。安全度为1时处于临界状态；安全度越大，安全性越好。安全度分布直观明了的说明巷道的稳定程度，进而说明支护结构可靠性的大小。从图5(a)可以看出，采用管缝锚杆支护后安全度低值为0.980，低值出现在巷道的顶板和两帮处，单元的安全度从巷道壁向围岩深处逐渐增大。从图5(b)可以看出，采用玻璃钢锚杆支护后安全度的低值为0.988，低值也出现在巷道顶板和两帮处，但比采用管缝锚杆支护后巷道围岩的安全度略有提高。说明采用玻璃钢锚杆支护后，提高了支护结构的可靠性。

3　结　论

　　数值计算的结果表明：在相同的支护条件下，玻璃钢锚杆对巷道的支护效果略优于管缝锚杆，采用玻璃钢锚杆支护有利于发挥围岩自身承载力，能有效克服管缝锚杆锚固力不足和易腐的问题，有利于提高支护结构的安全性和耐久性。另外玻璃钢锚杆价格低廉，采用玻璃钢锚杆替代传统钢质管缝锚杆，将为高峰矿业节约大量成本，达到支护效果和经济效益的优化。