深部大斷面巷道圍巖注漿加固技術(shù)研究與應(yīng)用

馬新世，弓培林，李 超

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展至今已有150余年歷史，主要經(jīng)歷了由被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)轉(zhuǎn)變的過程，支護(hù)技術(shù)、工藝日趨成熟、穩(wěn)定，其中以錨桿索為核心的巷道支護(hù)成套技術(shù)現(xiàn)已成為一些淺埋地質(zhì)條件下圍巖相對(duì)完整煤礦巷道的支護(hù)趨勢(shì)，錨桿索支護(hù)由于其具有主動(dòng)加固調(diào)動(dòng)圍巖承載能力，以及良好的經(jīng)濟(jì)性、支護(hù)的有效性，解決了淺埋地質(zhì)條件下各類巷道的支護(hù)問題[1-2]。但隨著開采深度的增加，不少采用錨桿索支護(hù)的巷道由于埋深大、應(yīng)力高、斷面大、煤層松軟破碎、構(gòu)造復(fù)雜等因素影響，往往出現(xiàn)片幫、底鼓、塌頂?shù)葟?qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，需要經(jīng)過多次維修才能保證巷道的安全使用，對(duì)巷道支護(hù)提出了更高的要求[3-5]。

基于各類工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)專家提出聯(lián)合支護(hù)理論，指出錨桿索支護(hù)要充分結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)條件，摒棄僅僅提高支護(hù)剛度的理念，實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)、柔讓結(jié)合、穩(wěn)定支護(hù)，充分利用圍巖自身承載力，最大限度地提高巷道圍巖整體性及穩(wěn)定性。這一理論標(biāo)志著巷道支護(hù)由單純的錨桿索支護(hù)向聯(lián)合支護(hù)發(fā)展，由此出現(xiàn)了錨噴網(wǎng)支護(hù)、錨桿索+注漿等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[6-12]，并在各類礦井工程實(shí)踐中得到成功應(yīng)用。

1 工程背景

長(zhǎng)平煤業(yè)井田范圍內(nèi)主要可采煤層為3#煤層和15#煤層，3#煤層為目前礦井主采煤層，其強(qiáng)度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，大斷面巷道埋深約為700 m，上距 2#煤層14.12～41.02 m，平均31.23 m。3#煤層厚度2.50～10.60 m，平均厚度5.58 m，煤層傾角1.5°～5.7°，平均傾角4°。該煤層含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸 0～3層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

為了選擇合理的巷道支護(hù)參數(shù)，利用水壓致裂法對(duì)長(zhǎng)平煤業(yè)大巷進(jìn)行了圍巖強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置于53021巷700 m處，采用錨網(wǎng)支護(hù)，巷道凈高為3.15 m，巷道凈寬為5.4 m。測(cè)試結(jié)果表明：五盤區(qū)大巷最大水平主應(yīng)力為17.6 MPa，最小水平主應(yīng)力為6.96 MPa，泥巖強(qiáng)度平均值為42.02 MPa，細(xì)粒砂巖強(qiáng)度平均值為77.82 MPa，3#煤層強(qiáng)度平均值為12.52 MPa。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2 巷道圍巖注漿改性機(jī)理

2.1 提高圍巖強(qiáng)度

為了分析巷道注漿前后圍巖體的強(qiáng)度變化,引入莫爾-庫侖準(zhǔn)則[13]，注漿前后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線分別為K1、K2，極限平衡狀態(tài)明顯發(fā)生變化，說明注漿加固后的破碎圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯增大，注漿加固后淺部松散破碎帶和深部塑性區(qū)受注漿凝固作用形成了黏結(jié)的破碎帶圍巖和加固的塑性區(qū)圍巖，提高了破碎帶圍巖和塑性區(qū)圍巖的內(nèi)摩擦角及黏聚力，有效改善了圍巖的抗剪強(qiáng)度和整體性，增加了煤巖體的承載能力，注漿的煤巖體能夠承擔(dān)更大的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。破碎巖體注漿前后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線如圖2所示。

K1—注漿前莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線；K2—注漿后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線；φ—內(nèi)摩擦角；C—黏聚力。

2.2 減小巷道圍巖松動(dòng)圈

巷道開挖后由于破壞了原巖應(yīng)力的極限平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，致使巖石強(qiáng)度大幅度下降，直到圍巖出現(xiàn)一個(gè)松弛破碎帶，因此產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圈，在一定程度上巷道圍巖松動(dòng)圈可反映巷道支護(hù)的難易情況。注漿加固后漿液凝固體為巷道圍巖充當(dāng)骨架起到支承作用，從而有效提高了煤巖體的殘余強(qiáng)度，減小了圍巖體松動(dòng)圈，削弱了巷道臨空區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，提高了破碎巷道的圍巖穩(wěn)定性[14-15]。

2.3 改善主動(dòng)支護(hù)效果

在巷道破碎帶注漿巖體開挖后，需對(duì)巷道圍巖及時(shí)提供主動(dòng)支護(hù)。而注漿加固后松散破碎煤巖體能夠?yàn)殄^桿或者錨索提供較大范圍的錨固區(qū)域；且注漿加固后漿液凝固體在較大程度上削弱了錨桿索的剪切作用力，使注漿加固后的煤巖體不會(huì)相互錯(cuò)動(dòng)，從而增強(qiáng)巷道圍巖的自承能力。在錨桿索加固圈和巷道煤巖體加固圈的共同作用下，重疊區(qū)域的承載極限明顯增大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨桿索或者巷道注漿單獨(dú)作用時(shí)的承載能力。

3 巷道圍巖注漿加固力學(xué)分析

圍巖注漿后改變了巷道淺部應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力由淺部向兩幫深部轉(zhuǎn)移，提高了破碎圍巖的承載能力，形成了新的承載結(jié)構(gòu)體，如圖3所示。

圖3 矩形巷道注漿模型圖

根據(jù)力學(xué)平衡原理，得：

(1)

(2)

式中：T1為頂板水平壓力，MPa；R為破碎區(qū)界面巷道拱底圍巖支承壓力，MPa；L2為注漿后承載層長(zhǎng)度，m；L1為巷道破碎區(qū)厚度，m；H1為巷道高度，m；W為巷道寬度，m。

整理得：

(3)

(4)

由上述力學(xué)分析可知，巷幫注漿后形成新的承載層，底部支承點(diǎn)向巷道兩幫深部穩(wěn)定巖體轉(zhuǎn)移，淺部破碎區(qū)圍巖受力減小。由式(3)、式(4)可知，注漿后承載層L2越大，則破碎區(qū)界面巷道拱底圍巖支承壓力R越大，垂直方向承載力越大；巷道破碎區(qū)厚度L1越大、巷道高度H1越小，則頂板水平壓力T1越大，即水平方向承載力越大，巷道越穩(wěn)定。因此可通過增加承載層長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定。

4 巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型及方案

根據(jù)巷道圍巖注漿改性機(jī)理、力學(xué)分析及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提出4種支護(hù)方案，并針對(duì)不同方案進(jìn)行模擬研究[16-19]。由長(zhǎng)平礦五盤區(qū)大巷的實(shí)際工程地質(zhì)條件及巷道斷面尺寸，建立矩形巷道模型。沿模型水平方向?yàn)閤軸，坐標(biāo)范圍為(0,0,0)～(30,0,0)，長(zhǎng)度30 m；高度方向?yàn)閦軸，坐標(biāo)范圍為(0,0,0)～(0,0,35)，高度35 m；y軸沿巷道軸向，坐標(biāo)范圍為(0,0,0)～(0,1,0)，長(zhǎng)度1 m。為了能獲得更好的計(jì)算精度和計(jì)算效率,模型共計(jì)剖分35 937個(gè)節(jié)點(diǎn)，23 520個(gè)單元。

具體支護(hù)方案如下：

方案一：采用分層掘進(jìn)的方式，先掘5.8 m×3.8 m斷面，然后再挖底至設(shè)計(jì)斷面，頂板采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)，巷幫未注漿。

方案二：采用一次成巷掘進(jìn)的方式，掘進(jìn)斷面為5.8 m×5.6 m，頂板采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)，巷幫未注漿。

方案三：采用分層掘進(jìn)的方式，先掘5.8 m×3.8 m斷面，頂板采用全錨索支護(hù)，待圍巖穩(wěn)定后，巷幫注漿加固，注漿完成后挖底成巷。

方案四：采用一次成巷掘進(jìn)的方式，掘進(jìn)斷面為5.8 m×5.6 m，頂板采用全錨索支護(hù)，巷幫注漿加固。

錨桿選用?22 mm×2400 mm錨桿，頂板錨索選用?22 mm×6 300 mm錨索，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，錨索間排距2 000 mm×1 000 mm；巷幫采用?22 mm×2 400 mm錨桿，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，選用?22 mm×5 300 mm錨索，錨索間排距1 500 mm×1 000 mm。錨桿轉(zhuǎn)矩400 N·m，錨索預(yù)緊力320 kN。

注漿孔布置：五盤區(qū)大巷兩幫注漿鉆孔成排布置，排距1 500 mm，鉆孔間距1 400 mm或1 600 mm，幫部鉆孔距頂?shù)装寰鶠?00 mm或1 100 mm。鉆孔采用錨桿(錨索)鉆機(jī)施工，鉆頭直徑42 mm，孔深 6 000 mm。巷幫靠近頂?shù)装宓淖{孔上仰或下扎10°，巷幫其余鉆孔垂直煤面。支護(hù)材料參數(shù)見表1，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)原位測(cè)定巷幫煤體注漿加固后煤體參數(shù)見表2?？紤]到模型建立尺寸與實(shí)測(cè)漿液擴(kuò)散半徑，模型中煤體參數(shù)全部按照加固后煤體參數(shù)賦值。

表1 錨桿和錨索力學(xué)參數(shù)

表2 注漿煤體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬分析

從模擬結(jié)果來看，4種支護(hù)方案下巷道變形量明顯不同，支護(hù)效果和圍巖變形量有較大差異。

支護(hù)方案一的模擬結(jié)果如圖4所示。采用支護(hù)方案一時(shí)，頂板變形量不大，巷幫破壞范圍明顯較小，巷幫塑性區(qū)范圍在3.5 m左右，巷幫破壞范圍超過了錨桿的支護(hù)范圍，錨桿支護(hù)效果差。巷幫應(yīng)力集中程度達(dá)到31 MPa左右，頂板下沉量為230 mm，巷幫收縮量為 290 mm，巷幫變形量較大。

(a)塑性區(qū)分布

(b)應(yīng)力場(chǎng)分布

(c)變形量分布

支護(hù)方案二的模擬結(jié)果如圖5所示。采用支護(hù)方案二時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍與方案一差別不大，但由于是一次開挖成巷，巷幫變形嚴(yán)重，巷幫塑性區(qū)破壞范圍達(dá)到4.5 m，破壞范圍明顯超過了錨桿支護(hù)范圍，導(dǎo)致錨桿支護(hù)范圍大幅度減小，錨桿基本已經(jīng)失效，破壞范圍接近巷幫錨索錨固段。巷幫應(yīng)力集中程度達(dá)到 33 MPa，應(yīng)力集中程度高，圍巖應(yīng)力狀態(tài)較差，頂板下沉量為290 mm，巷幫收縮量為400 mm，巷幫變形極其嚴(yán)重。

(a)塑性區(qū)分布

(b)應(yīng)力場(chǎng)分布

(c)變形量分布

支護(hù)方案三的模擬結(jié)果如圖6所示。采用支護(hù)方案三時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍與上述兩種方案差異不大，但巷幫塑性區(qū)范圍最小，塑性區(qū)深度僅2 m左右，巷幫破壞范圍較淺。巷幫應(yīng)力集中程度達(dá)到 27 MPa，應(yīng)力集中程度低，巷道受力狀態(tài)良好，頂板下沉量200 mm，巷幫收縮量230 mm，巷幫變形較小，巷道整體穩(wěn)定性最好。

(a)塑性區(qū)分布

(b)應(yīng)力場(chǎng)分布

(c)變形量分布

支護(hù)方案四的模擬結(jié)果如圖7所示。采用支護(hù)方案四時(shí)，頂板塑性區(qū)變化不大，由于巷道采用一次開挖方式，進(jìn)行注漿加固后，巷幫破壞范圍有一定減小，但破壞范圍大于方案三。巷幫應(yīng)力集中程度為29 MPa，應(yīng)力集中程度略大于方案三，但小于方案一和方案二，這說明注漿改善了巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)。巷道頂板下沉量為210 mm，巷幫收縮量為250 mm，巷道變形量中等，僅次于方案三，巷道整體穩(wěn)定性較好。

(a)塑性區(qū)分布

(b)應(yīng)力場(chǎng)分布

(c)變形量分布

5 工程應(yīng)用

5.1 支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬，確定采用“分層掘進(jìn)+滯后高壓注漿+強(qiáng)力錨索支護(hù)”的綜合支護(hù)方案。高壓注漿能夠充填圍巖內(nèi)部裂隙，恢復(fù)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性，形成連續(xù)結(jié)構(gòu)體，但此時(shí)圍巖承載力較弱，巷幫變形較大，須采用強(qiáng)力錨索加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)支護(hù)，提高圍巖承載力，保證圍巖穩(wěn)定。

5.2 支護(hù)效果分析

采用上述支護(hù)方案后，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。

(a)掘進(jìn)期間表面位移

(b)回采期間表面位移

由圖8(a)可見，掘進(jìn)期間五盤區(qū)巷道圍巖變形量隨時(shí)間變化而逐漸變大。頂板下沉量在0～50 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，在50 d左右達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，頂板下沉量最大值為 51 mm。兩幫移近量在0～70 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，基本在60～70 d達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，兩幫移近量最大值為140 mm。底鼓量在 0～70 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，基本在60～70 d達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，底鼓量最大值為75 mm。掘進(jìn)期間巷道變形以兩幫變形為主，頂板下沉量和底鼓量不大，巷道圍巖完整性良好。

由圖8(b)可見，回采期間五盤區(qū)巷道圍巖變形隨時(shí)間變化而逐漸變大。頂板下沉量在0～175 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，在150～175 d內(nèi)達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，頂板下沉量最大值為126 mm。兩幫移近量在0～200 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，基本在190～200 d達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，兩幫移近量最大值為 452 mm。底鼓量在0～150 d內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，基本在150 d左右達(dá)到最大值，而后隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定，底鼓量最大值為176 mm。回采期間巷道變形以兩幫變形為主，由于煤體強(qiáng)度低，兩幫變形略為嚴(yán)重，但整體巷道變形不大，圍巖完整性較好。

6 結(jié)論

1)通過巷道圍巖注漿改性機(jī)理分析得出，注漿可提高圍巖強(qiáng)度、起骨架支撐作用、減小巷道圍巖松動(dòng)圈，改善主動(dòng)支護(hù)效果；利用力學(xué)平衡原理分析計(jì)算巷道圍巖注漿力學(xué)模型，得出可通過增加承載層長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定。

2)通過數(shù)值模擬得出，分層掘進(jìn)有利于圍巖的穩(wěn)定和圍巖應(yīng)力的緩慢釋放；而一次掘進(jìn)時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力釋放過快，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重；錨桿、錨索和注漿聯(lián)合支護(hù)可提高煤巖體的黏聚力，抑制煤巖體兩幫擠出，改善其整體性，在預(yù)應(yīng)力錨索的懸吊及兩幫煤巖體的支撐共同作用下，有效控制了巷道圍巖變形。

3)工程應(yīng)用試驗(yàn)得出，“分層掘進(jìn)+滯后注漿+錨索補(bǔ)強(qiáng)”的支護(hù)方案效果最佳?；夭善陂g，巷道兩幫移近量為452 mm，頂板下沉量為126 mm，底鼓量為176 mm，巷道變形整體處于可控狀態(tài)。