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摘要：在金属矿山开采过程中，爆破施工在取得良好的经济效益的同时，会产生爆破震动，进而对邻近巷道稳定性产生不良影响。通过有限差分软件FLAC3D建立双巷道模型，采用软件内置的cable单元模拟玻璃钢锚杆，pile单元模拟管缝锚杆，通过对模型施加正弦波荷载来模拟爆破开挖对岩体产生的影响，研究玻璃钢锚杆和管缝锚杆两种支护方式在爆破动载作用下的支护效果。并通过对两种支护方式的位移分析、应力场分析和振速分析进行对比研究，得出了玻璃钢锚杆在爆破动载作用下支护效果一定程度上要优于管缝锚杆支护方式，验证了玻璃钢锚杆支护对于巷道稳定性起到了积极作用。

关键词：数值模拟;玻璃钢锚杆;管缝锚杆;爆破动载

为了保证矿山的生产安全，许多支护方法被用于维护巷道和采场稳定[1-4]。自1911年美国将锚杆应用于矿山巷道支护以来，锚杆因其技术经济的优越性，成为世界各国矿山巷道以及其他地下工程的主要支护手段之一。目前，国内外矿山巷道多采用金属材料的锚杆以防止垮冒事故的发生，而金属锚杆中又多采用管缝锚杆进行支护。但是，管缝锚杆在支护过程中存在锚固力不足、操作复杂和易腐蚀等问题，导致其无法达到预期的支护巷道的效果。玻璃钢锚杆作为一种新型锚杆，以玻璃钢纤维和树脂材料作为制作材料，具有高强度、耐腐蚀、易于加工等优点。在静态力学作用下，与管缝锚杆相比，玻璃钢锚杆因其自身特有的力学特性，能够提供足够的锚固力，且锚固的效果比管缝锚杆支护方式的略好[5-6]，近年来在煤矿、边坡支护和金属矿山得到了较为广泛的推广和运用 [7]。

矿山巷道的开挖工作一般采用爆破方式进行，由于采场爆破施工具有装药量大、次数多、井下空间有限等特点，使爆破振动对邻近巷道围岩的扰动较大，爆破震动是影响巷道开挖安全的主要的动态危害。在矿山中有巷道并行开挖时，邻近巷道的开挖爆破工作对已开挖巷道的顶板、巷道两帮和底板都会造成影响，严重的可能会造成巷道的垮塌，发生人员伤亡的事故，对安全生产和人员安全构成威胁[8-10]。在矿山爆破震动的影响下，爆破动载产生的围岩动应力会引起围岩的瞬时变形，进而对邻近巷道稳定性产生不良影响，使锚杆发生破坏而失效。因此，研究爆破动载下巷道锚杆支护的力学特征对于矿山的支护安全就显得尤为重要。本文运用FLAC3D有限差分软件通过建立双巷道模型模拟爆破动载对开挖巷道的影响，对已开挖巷道分别使用玻璃钢锚杆和管缝锚杆两种支护手段进行模拟支护，通过设置监测点的位移和振速、岩体的应力场分布来得出两种支护方式之间的差异并进行对比分析，以验证玻璃钢锚杆在动态荷载作用下的支护效果，为其在实际矿山中的应用提供一定的理论依据。

1  FLAC3D数值模拟

1.1 工程概况

研究矿区为大冶某矿山，位于保安复式背斜南翼，受区域构造的控制呈近东西向分布。该矿山主要采用中深孔爆破落矿回采矿石。采区工程地质环境复杂，围岩等级为Ⅲ级，均为粉矿和岩石破碎带，围岩强度低，粘度差，巷道自稳时间短，需要及时支护。

研究巷道选在-228m中段，采用玻璃钢锚杆喷锚网支护，通过玻璃钢锚杆配塑料螺母和托盘挂网。玻璃钢锚杆长度1800mm，直径16mm，弹性模量6105MPa，杆体极限抗拉强度500MPa;研究巷道围岩弹性模量1.6104MPa，泊松比0.26，内聚力1.2MPa，内摩擦角45°。研究巷道的现场支护图如图1所示。

采用FLAC3D软件对已开挖巷道设置两种支护方案，即分别使用玻璃钢锚杆和管缝锚杆两种支护手段进行模拟支护的，并输入正弦波荷载模拟爆破动载，通过设置监测点监测各项指标来得出两种支护方式之间的差异并进行对比分析。

1.2 计算模型的建立

计算模型由两个相距8m的巷道以及周围岩体组成，巷道的上半部分为半径2m的半圆组成，下半部分为2m2m的矩形。模型大小为60m30m10m。在划分网格时，单元网格的密度越高，计算的精度越准确，若网格密度过则会耗费较多的计算时间，对于需要进行详细分析的位置，网格的密度可适当加大。本文中双巷道之间的网格应适当的加密，往外延伸的网格按照1.1倍的比例适当放大，节约计算时间的同时，能较准确的对双巷道进行模拟分析。在双巷道的连接部分，网格之间的连接应保持一致，达到节点之间力的相互传递，得到可靠的数据。基于此在FLAC3D中建立如图2所示的计算模型。其中，模型的单元个数为30800，节点数为34128。

建立双巷道三维模型，对模型的网格进行划分;初始应力场为在模型上表面设置应力边界模拟上方岩层产生的自重应力场;边界条件设置为对模型的前后左右设置成静止边界，边界位移为0，模型的上部设置为自由边界，模型的底部设置垂直约束;对左侧巷道进行开挖工作，并采用玻璃钢锚杆、管缝锚杆分别进行支护，对右巷道每次开挖5m，分2次进行开挖，并施加2次动载荷;根据现场爆破动载监测结果，利用输入正弦压缩波模拟爆破动载的加载，正弦压缩波公式为：，其中，最大取值为0.2m/s，振动频率取值为100Hz，持续时间t取0.2s;阻尼条件选取瑞利阻尼，阻尼比取为0.05，最小中心频率选择入射频率;后处理阶段从位移、应力和振速三个方面，对玻璃钢锚杆和管缝锚杆在爆破动载作用下的支护效果进行比较。加载爆破动载的波形图如图3所示。

岩体的力学参数见表1，在FLAC3D中采用摩尔-库仑屈服准则，巷道开挖采用FLAC3D的空模型（即Null模型），对左侧巷道直接进行开挖，开挖后分别采用玻璃钢锚杆和管缝锚杆进行支护。在FLAC3D软件中，玻璃钢锚杆采用cable单元进行模拟，管缝锚杆则采用pile单元模拟。数值计算中的玻璃钢锚杆、管缝锚杆的计算参数见表2。

玻璃钢锚杆和管缝锚杆在支护形式上一致，为每排5根锚杆，排距1m。在模型左巷道设置监测点，对模型在右巷道的开挖、支护和爆破阶段中受到的影响进行监测，通过各监测点位移和速度变化，对玻璃钢锚杆和管缝锚杆在爆破动载作用下的支护效果进行对比。监测点设置见表3。

2 计算结果及分析

2.1 巷道变形分析

从表4中可以看出，采用玻璃钢锚杆支护方式的巷道，第一受到爆破冲击后，巷道的左帮位移变化较小，右帮的位移量则有所增大，顶板的位移量增加了0.12mm。进行第二爆破开挖后，左帮的位移为1.95mm，右帮的位移量则增加到了2.4mm，拱顶的位移量则为4.6mm，底部的位移量为1.22mm。两次爆破开挖后，监测点位移量增幅最大的位置在巷道的右帮，增幅达到了12.5%。对于使用管缝锚杆进行支护的模型，在第一次爆破开挖后，左帮的位移量为0.93mm，顶板的位移量为4.59mm，右帮的位移量为2.1mm，底板的位移为1.21mm。在施加第二次地震波后，顶板的位移增加了0.21mm;左帮的增加量为0.07mm;右帮的增加量为0.35mm。

从位移的变化来看，右侧巷道开挖受影响最大的是左侧巷道的迎爆面，而迎爆面上的受影响程度依次为右帮、帮脚和拱角位置。对比两种支护手段，在拱顶和拱角位置使用玻璃钢锚杆支护后的位移量比使用管缝锚杆支护的位移量的增量略小。在动载荷作用下，玻璃钢锚杆的托盘和螺母可以给锚杆施加预应力，使锚杆作用于岩体，对巷道的收缩和变形起到了较为积极的作用。

2.2 岩体应力场分析

对左侧巷道进行开挖后，两帮、顶板和底板均出现应力集中，对左侧巷道分别采用玻璃钢锚杆和管缝锚杆进行支护，两种支护方式的应力云图见图4。从图4（a）中可以看出，采用玻璃钢锚杆支护的巷道，顶板出现压应力集中，分布区域随着距离的增大而逐渐变大。巷道的两帮则出现较大的压应力集中，且沿着巷道两帮的中心线延伸出去，最大的压应力为20.40MPa，底板则主要受到拉应力的影响，拉应力最大值达到了0.33MPa。采用管缝锚杆支护方式的岩体的应力分布规律与采用玻璃钢锚杆支护方式时基本一致。

右巷道开挖后垂直应力分布图如图5所示。从图5中可以看出，对右侧巷道进行两次爆破开挖后，左侧巷道的应力分布发生了改变。左侧巷道右帮的压应力分布区域变大，底板拉应力都有不同程度的增加，顶板的压应力的范围扩大。采用玻璃钢锚杆支护后的巷道，顶板的压应力区虽然有所扩大，相对于管缝锚杆支护的巷道顶板，其压应力区域略小。这说明，采用玻璃钢锚杆支护的左侧巷道，受到爆破工作的影响较小。

2.3 监测点振速分析

表5中为计算收敛后各监测点的峰值振速，在采用玻璃钢锚杆支护的左侧巷道，监测点速度最大值出现在右帮中部的速度在1.34cm/s，其次则是右侧拱顶，速度为1.15cm/s，左帮的速度值则相对较小。采用管缝锚杆支护的左侧巷道，其左帮帮顶的最大值则达到了1.81cm/s，其次是右帮，最大速度在1.4cm/s左右。在左侧巷道的两帮和地板的位移速度上，两种支护方式的差别不大，但是在巷道的拱形部分的速度却有着一定程度的差异，特别是在巷道的右帮。左巷道的右侧比左侧受到爆破震动的影响大，右帮在受到爆破冲击后检测点的速度都会有所增加，两种支护方式的巷道在受到爆破震动作用后，两者的速度差值不是很大，但是玻璃钢锚杆在右帮和拱角出的速度比管缝锚杆支护方式的略小。结合两种支护方式的位移变化来看，在受到爆破震动作用的影响下，玻璃钢锚杆确实可以较好的锚固力，能够与围岩共同作用来抵抗爆破产生的冲击影响。

3 结 论

本文采用FLAC3D的动力分析模块，分别对两种支护方案在爆破动载下的影响进行了研究，得出以下结论：

（1）总体来看，两种支护方式在受到爆破震动的影响后，巷道的变形趋势基本是一致的。对于岩体较为破碎的巷道，仅使用锚杆支护手段不能够保证稳定性，需要锚杆支护和长锚索、锚网、喷浆等其他的支护手段形成联合支护共同作用。

（2）在所加爆破动载相同的条件下，相比于管缝锚杆支护，采用玻璃钢锚杆支护方式的巷道能够较好的提高支护效果，玻璃钢锚杆通过螺母和托盘对锚杆施加预紧力，使得锚杆能够提供足够的锚固力，同时因其自身为碳纤维材料的特性，不仅具有很好的耐腐蚀性能，而且还有很好的抗拉性，对控制巷道的变形起到了积极的作用，有利于矿山安全稳定开采。

参考文献

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作者简介：惠明星，男，1987年12月，汉族，湖北省武汉市，硕士，工程师，研究方向：采矿工程