深部軟巖巷道注漿擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬研究*

周凱軍，肖帥軍，尹勇勤

（鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司裴溝煤礦，河南 新密 452382）

1 研究背景概況

隨著近二十年超強(qiáng)度開采，我國(guó)很多華北型礦區(qū)淺部資源已基本開采完畢，生產(chǎn)重心逐步轉(zhuǎn)移到中深部延伸開采范圍[1-2]。在深部延伸掘采中，受地應(yīng)力影響，巷道圍巖受次生應(yīng)力影響更大，圍巖穩(wěn)定性變差，特別是軟巖巷道給維護(hù)工作帶來(lái)更大麻煩和困難[3-5]。目前為止巷道支護(hù)手段有很多類型，其中對(duì)軟巖巷道而言，注漿加錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)是一種很不錯(cuò)的選擇[6-8]。注漿加固效果好的話則能夠較為顯著的提高巷道圍巖的抗破壞和變形能力，然而影響注漿加固效果的因素很多，主要有圍巖類型、地應(yīng)力、斷面尺寸和形狀、注漿壓力和漿液配比等，特別是隨著深部延伸掘采，引起了眾多學(xué)者對(duì)深部軟巖巷道注漿加固方面的研究[9-11]。綜合對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于軟巖巷道破碎巖體注漿擴(kuò)散規(guī)律相對(duì)研究偏少，主要采用模型試驗(yàn)對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行了探討[12-13]。裴溝煤礦42 采區(qū)是礦井深部延伸預(yù)開采的接續(xù)采區(qū)，目前正處于開拓階段。論文研究的對(duì)象是42 采區(qū)軌道下山，該位置實(shí)際埋深530～600m 左右。試驗(yàn)段內(nèi)巷道巖性以泥巖為主，普氏系數(shù)為2-4，圍巖強(qiáng)度較軟，在支護(hù)后巷道很容易發(fā)生較大變形。這條巷道埋深較深，且受到滑動(dòng)構(gòu)造的影響，是典型的軟巖破碎巷道。該巷道已開拓成型段較大部分都發(fā)生了嚴(yán)重的變形，給維修也帶來(lái)了很大麻煩，嚴(yán)重影響了42 采區(qū)的正常運(yùn)輸。為此，本文以軟頂、軟煤層和軟底的“三軟”煤層裴溝煤礦深部42 采區(qū)掘進(jìn)巷道為背景，應(yīng)用數(shù)值模擬方法探究圍巖注漿擴(kuò)散規(guī)律，為地質(zhì)條件類似巷道注漿加固提供參考。

2 漿液體擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)該采區(qū)的地質(zhì)概況和實(shí)測(cè)的圍巖松動(dòng)圈結(jié)果建立數(shù)值計(jì)算模型[14]，注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散屬于單個(gè)巷道模型，考慮是軟巖巷道，模型尺寸寬度和高度是巷道半徑的10 倍。建立模型長(zhǎng)寬高分別為100×40×40m，橫斷面如圖1 所示。

考慮現(xiàn)場(chǎng)軟巖又破碎的實(shí)際條件，結(jié)合數(shù)值模擬的易操作性，本次共建立了25 種不同的水灰比和注漿壓力值單液水泥漿模型，具體組合方式見表1。

本次數(shù)值分析的過(guò)程中僅僅只分析單根注漿錨桿的情況，注漿錨桿注漿段長(zhǎng)度1000mm，直徑20mm，注漿段離巷道圍巖表面600mm。

2.2 漿液在圍巖中的擴(kuò)散形態(tài)

漿液在裂隙巖體中的實(shí)際擴(kuò)散形態(tài)相當(dāng)復(fù)雜[9]，很難在實(shí)際中按需求實(shí)行控制，由此通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)其擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行研究。在不發(fā)生劈裂時(shí)，漿液是類似于脈管在巖體裂隙通道中擴(kuò)散[15-16]。圖2 為4MPa注漿壓力時(shí)，水灰比在0.7∶1 及1∶1 兩種條件下，其在巖體裂隙中的分布狀態(tài)。漿液以注漿孔為中心向四周擴(kuò)散，漿液流量也逐漸減少。

圖2 不同水灰比下漿液在圍巖中的分布

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

漿液擴(kuò)散半徑是決定注漿工程量和工程進(jìn)度的重要因素，擴(kuò)散半徑可用一些理論公式進(jìn)行估算，但理論公式計(jì)算需要的參數(shù)太多而且結(jié)果不準(zhǔn)確，因此一般通過(guò)試驗(yàn)確定[17-19]。本次計(jì)算針對(duì)42 采區(qū)軌道石門圍巖狀況（見圖1），通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同注漿壓力和水灰比其漿液切向和徑向方向擴(kuò)散半徑進(jìn)行研究，具體結(jié)果如圖3 所示。

圖3 注漿壓力、水灰比與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系

由圖3 可知，巷道圍巖注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散有以下一些特點(diǎn)：

1）水灰比、注漿壓力和巷道切向、徑向漿液擴(kuò)散半徑呈正相關(guān)關(guān)系。

2）研究表明影響漿液擴(kuò)散半徑顯著的因素排序?yàn)椋鹤{壓力＞水灰。1MPa 注漿壓力時(shí)，當(dāng)水灰比為0.7，巷道徑向、切向漿液擴(kuò)散半徑分別為0.9m、0.4m，當(dāng)水灰比為0.8 時(shí)，巷道徑向、切向漿液擴(kuò)散半徑分別為1.2m、1m；當(dāng)水灰比0.7 時(shí)，注漿壓力升高到2MPa，巷道徑向、切向漿液擴(kuò)散半徑分別為1.4m、1.2m。保持1MPa 注漿壓力時(shí)，水灰比從0.7 變化到0.8 時(shí)，巷道徑向、切向漿液擴(kuò)散半徑增長(zhǎng)幅度分別為33.3%、150%；保持水灰比0.7 時(shí)，注漿壓力從1Mpa變化到2MPa，巷道徑向、切向漿液擴(kuò)散半徑增長(zhǎng)幅度分別為55.6%、200%?？芍?，影響漿液擴(kuò)散半徑顯著的因素排序?yàn)椋鹤{壓力＞水灰。

3）研究發(fā)現(xiàn)注漿壓力變化為兩個(gè)階段。第一階段，當(dāng)注漿壓力1～3MPa 階段中，漿液擴(kuò)散半徑：徑向＞切向，但相差不是很大；第二階段，當(dāng)注漿壓力3～5MPa 階段中，切向的漿液擴(kuò)散半徑突增，最終漿液擴(kuò)散半徑變?yōu)椋呵邢颍緩较颉?/p>

4）當(dāng)注漿壓力從1MPa 變化到3MPa 時(shí)，隨著注漿壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑的增大較明顯；當(dāng)注漿壓力在從3 Mpa 變化到5MPa 時(shí)，隨著注漿壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑的增大較弱；隨著注漿壓力的增大，巷道切向方向上漿液擴(kuò)散半徑的增長(zhǎng)幅度始終大于巷道徑向方向上的漿液擴(kuò)散半徑。

圖4 分別為徑向和切向兩個(gè)方向在相同水灰比情況下注漿壓力在巷道圍巖中的數(shù)值模擬衰減曲線。由圖4 可知，在不同注漿壓力、水灰比情況下，注漿壓力在圍巖中的衰減曲趨勢(shì)相似。由于漿液水灰比的減小，注漿壓力的分布并不呈線性的函數(shù)關(guān)系遞減。而隨著水灰比的減小，衰減的速度也在增加。

圖4 水灰比0.8 巷道注漿壓力衰減曲線

在巷道圍巖徑向方向上，注漿壓力由圍巖表面向深部衰減速度逐漸減慢（圖4（a））；而切向方向上，其衰減規(guī)律與徑向方向上基本一致（圖4（b）），這說(shuō)明在巷道切向方向上，在注漿壓力的作用下，重力對(duì)注漿壓力衰減、漿液擴(kuò)散的影響可能不大。

3 注漿后效果檢驗(yàn)

根據(jù)42 軌道下山地質(zhì)及掘進(jìn)條件，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了注漿加錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)對(duì)圍巖巷道進(jìn)行了支護(hù)，支護(hù)好的地段開始對(duì)巷道變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，布置了5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)近一年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，頂?shù)装謇塾?jì)移近量約65mm，兩幫累計(jì)移近量約62mm。限于篇幅，這里以1#站監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例（圖5），從表面位移變化可以看出，支護(hù)后近六個(gè)月兩幫和頂?shù)装遄冃畏节呌诜€(wěn)定，這一特征也反映了高應(yīng)力軟巖巷道變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。且發(fā)現(xiàn)頂?shù)装宓谋砻嫖灰谱兓蛢蓭偷脑诳傮w趨勢(shì)上具有一致性，都可以分成三個(gè)階段，第一階段從開始到160d，第二階段從160d到310d，第三階段從310d 到360d，第一和第三階段頂?shù)装宓谋砻嫖灰凭笥趦蓭偷?。由此可見，注漿后長(zhǎng)期礦山壓力作用下頂?shù)装宓姆从潮容^大。

圖5 1#測(cè)站巷道圍巖表面位移量觀測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1）基于注漿加固原理初步分析基礎(chǔ)上針對(duì)42采區(qū)深部軟巖破碎圍巖巷道建立了漿液擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了5 種不同注漿壓力和5 種不同水灰比組合的注漿試驗(yàn)條件。

2）通過(guò)25 種不同組合的水灰比和注漿壓力，研究表明影響漿液擴(kuò)散半徑顯著的因素排序?yàn)椋鹤{壓力＞水灰。

3）通過(guò)水灰比0.8 沿徑向和切向兩個(gè)方向不同注漿壓力在巷道圍巖中的衰減曲線對(duì)比，獲得了注漿壓力在巷道圍巖徑向和切向上的衰減規(guī)律，注漿壓力隨著距離巷道表面距離增加均呈先增大而后衰減的變化規(guī)律，但衰減具有差異性。

4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)深部軟巖巷道采用注漿加錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)是可行的，但進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定變形階段時(shí)間較長(zhǎng)。