0 引言

岩层的支护与加固不仅是矿山开采活动中维护采掘空间的主要手段，也是一门重要的工艺。科学合理的岩层支护与加固方法是生产安全的重要保证。自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来, 锚杆支护技术至今已有一百多年的历史^[1]。由于锚杆支护的主动性、低成本、简单易用效果好的特点使其迅速在矿山岩层支护尤其是软岩支护中得到了广泛应用。

但是由于锚杆支护施工的“隐蔽性”，施工质量与其实际工作状态目前尚无有效的监测手段，同时由于地下矿山地质条件的复杂性、多变性和不确定性，在巷道的锚杆支护设计时很难保证技术参数科学合理。而且，随着浅部资源的日益减少，矿山的开采深度逐渐加深。由于深部更加复杂的力学环境，使得巷道围岩稳定性控制问题成为困扰很多矿山安全生产和建设的主要难题之一^[2]。

近年来，随着计算机技术的快速发展, 以计算机与工程实际问题相结合的数值模拟技术在采矿和岩土工程中得到了广泛的应用。虽然数值分析方法提高了采矿与岩土工程学科向着定量化的方向发展，但是定量的分析目前还很难实现定量的应用。但不可否认的是，数值分析方法和软件模拟技术在巷道支护，尤其是锚杆支护工艺中的应用，如锚杆作用机理、支护参数选择及施工工艺等方面已越来越受到人们的重视，并已取得了很多有价值的研究成果。

1 国内外锚杆支护现状

锚杆的开创性使用可以追溯至上世纪30年代初的美国，到1943年开始有计划的使用锚杆^[3]，并以美国、澳大利亚发展最为迅速，到1995年其煤巷的锚杆支护比重已接近100%。上世纪80年代以后, 一些曾以U型钢或工字钢支架为煤巷主要支护形式的国家(如英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本等)，也大力发展并应用了锚杆支护，如英国自1987年从澳大利亚引进锚杆支护技术到1994年，其煤巷锚杆支护由原来的几乎为零增加到80%，法国达到50%以上^[4]。

我国锚杆支护技术发展^[5]大体上经历了4个阶段。①20世纪80年代中后期为起步阶段。②1991~ 1995年为攻关阶段。③1996~1997年为引进和消化阶段。④1998年至今为推广和提高阶段。目前煤巷锚杆支护的比例已达到20 %以上，少数矿区已超过50 %，全国每年约有300 km的煤巷采用锚杆支护。在金属矿山，尤其是松软破碎矿体及深部开采，锚杆支护起着越来越重要的作用。

2 锚杆支护作用机理的数值模拟研究

锚杆支护机理目前提出的观点很多，有悬吊作用、组合梁（拱）作用、加固（提高C，ϕ值）作用等。随着实践的不断深入，人们对于锚杆作用机理认识也在进一步深入，如扩容—稳定理论的提出就进一步揭示了锚杆支护的实质。

数值分析，尤其是有限元分析方法是研究锚杆作用机理的有力手段。与此相关的一些大型商业有限元软件如ABAQUS、NASTRAN、PATRAN、ADI NA、PHASE2及我国东北大学开发的有限元分析软件RFPA等在模拟土、岩石等材料的力学行为方面具有突出的优点。国内外都已经采用2-D或3-D有限单元法研究单一锚杆及锚杆组的支护作用机理和支护作用，如意大利的P.Egger和K.Spang采用3-D有限元数值分析模型研究锚杆的作用机理。此外，A.I.Sofianos应用离散元分析软件研究了锚杆支护层状结构顶板的稳定性^[6]等。

国内钱鸣高等利用ANSYS有限元通用分析软件编制开发了锚杆支护设计计算机辅助设计系统（ANSYSBOLT）对不同地应力条件下锚杆支护机制进行了数值模拟分析，提出在高应力水平条件下，巷道的破坏是扭曲变形破坏，应主要加固顶底板^[7]，等等。这些方法及软件（2D-block、DDA等）在锚杆支护原理、锚固特性模拟数值试验研究等方面取得了富有意义的研究成果^[8,9]。

但是，由于在大变形巷道中, 锚杆的工作阻力下降（即损伤软化）是一种必然的规律。绝大多数有限元程序难以模拟大变形、大应变问题，而FLAC在这方面具有独特的优点，它是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序。但模拟表明，当变形较小时锚杆的力学特性曲线比较接近实际，变形较大时锚杆的锚固力却仍然保持恒定不发生下降，与实际情况不符。因此，有关学者对此进行了改进，如采用FLAC的内存堆栈技术，进行单元模型进行修正, 使其得以改进与完善^[10]。

对于锚杆支护机理的数值分析研究主要包括以下两个方面。

（1）基于松动圈设计理论的松动区域计算。松动圈支护设计理论认为，锚杆支护作用在于松动区域内不稳定松散岩体悬挂在松动圈以外的稳固岩体上。因此，借助数值分析确定巷道围岩松动区域的大小，作为选取锚杆参数的依据。

（2）锚杆-围岩相互作用机理。该机理是以围岩变形和变形速率作为支护设计依据的数值分析。该设计理论是广泛应用的方法，采用有限元法进行锚杆设计，就是把围岩作为平面或体单元，把锚杆作为杆单元来处理的模型化计算方法。

3 锚杆支护参数的数值模拟研究

锚杆参数对围岩稳定性的影响很大, 因为改变锚杆支护参数中的任何一个参数, 都会对围岩稳定性存在不同程度的影响, 而要获得诸参数的综合最佳值, 需要进行大量的试验。显然, 通过井下实测或相似材料模拟都很难做到这一点。相比而言, 数值计算分析则具有很突出的优点, 而目前的数值计算水平已基本具备这种条件。

国内王平^[11]利用UDEC数值模拟软件研究了锚杆数量、锚杆长度、锚杆直径及锚杆屈服强度对巷道围岩运动的影响，如图 1所示显示了锚杆长度与顶板变形量的关系。曲华等^[12]采用2D-σ有限元软件研究揭示了综放回采巷道桁架锚杆支护参数与支护效果的关系等等。

数值模拟可以实现任意不同锚杆参数组合下支护效果的对比，为工程施工、参数选择提供了更为有效快捷的理论依据。

4 锚杆支护设计及工艺的数值模拟研究

巷道锚杆支护设计方法可归纳为3类：第1类为工程类比法，包括简单公式计算；第2类是理论计算法, 有悬吊理论、冒落拱理论、组合拱(梁)理论等；第3类是借助计算机数值模拟进行支护设计。随着计算机模拟技术的发展, 第3类方法的优势越来越明显, 其分析结果已得到广泛认可。目前，各种软件模拟采掘支护过程中巷道的大变形问题, 以及各种支护参数和条件, 进行方案优选在实际工程中已得到应用。如利用有限元软件Phase2分析了锚杆支护对巷道塑性区的影响，见图 2所示。

锚杆的支护设计的数值模拟^[13]通常包含以下4个步骤。

（1）输实测的地应力及围岩力学参数，建立数值模拟计算模型。

（2）调整通过实测方法无法获取的有关力学参数，使模拟的围岩变形破坏形态与实际条件下的巷道矿压显现基本一致，从而确定数值模拟计算的力学模型及力学参数。

（3）改变锚杆支护参数(如锚杆数量、锚杆长度等)，分别进行数值模拟计算。

（4）比较分析模拟结果，确定支护设计方案。通过数值模拟, 可以选择比较合理的锚杆支护参数, 并对巷道围岩的表面位移进行预测, 从而提高设计的科学性和可靠性。

5 结语

随着采矿工业的不断发展，采掘巷道断面和开采深度在不断加大和加深，面临的工程灾害与开采安全问题日益增多。锚杆支护作为一种重要的支护形式将得到更广泛的应用，但其应用中所面临的问题也将日渐突出。一方面，以计算机技术为代表的先进手段的融合促进了锚杆支护工艺与技术的发展。另一方面，由于地下工程的复杂性和特殊性，现有数值模拟支护设计与应用方面、已有成果与工程实际还存在着较大的差距。而锚杆支护作为一项系统工程，必须综合考虑各种复杂因素, 如：地质因素、工程因素、设计因素、施工因素等等，而这在数值模拟中是很难实现的，同时不同的数值分析手段具有各自的适应范围和优缺点。因此我们必须具体问题具体分析, 合理采用数值模拟，达到对实践起到更好的指导作用。