采動(dòng)影響下深部巷道注漿加固技術(shù)數(shù)值模擬研究

葉義勇

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

我國(guó)的礦井資源相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較豐富的，但是隨著近些年來(lái)，相關(guān)單位和組織對(duì)于我國(guó)煤礦井工資源的大力開(kāi)采，已經(jīng)出現(xiàn)了部分老礦井資源枯竭的現(xiàn)象。面對(duì)這樣的情況下，作為主要巷道保護(hù)煤柱的煤炭資源成為了人們開(kāi)始回收的對(duì)象。這不僅僅會(huì)影響到眾多巷道的維護(hù)，如果進(jìn)行大量的開(kāi)采行動(dòng)甚至?xí)斐上锏辣旧淼膿p害。比如原本沒(méi)有損壞的巷道，表面會(huì)受到擠壓變形，作為支架作用的支護(hù)體系一旦受到破壞，圍巖便會(huì)出現(xiàn)被擠出的效應(yīng)，導(dǎo)致巷道整體的平衡性受到嚴(yán)重的影響。想要再去進(jìn)行修復(fù)，需要?jiǎng)佑么罅康娜肆?、物力和?cái)力，而且修復(fù)過(guò)程比較繁瑣，稍有不慎，便會(huì)造成無(wú)法挽回的損失，牽一發(fā)而動(dòng)全身導(dǎo)致其他完好的部分受到傷害，最終會(huì)影響到整個(gè)礦井的開(kāi)采，同時(shí)也會(huì)引發(fā)安全隱患。

1 巷道概況

西一石門的地質(zhì)條件如下：標(biāo)高為-650 m，地面平均標(biāo)高＋20.8 m，修復(fù)預(yù)加固范圍為西一石門四聯(lián)至五聯(lián)，全長(zhǎng)300 m，分別揭露16-1、16-2煤；16-2煤厚平均0.8 m，16-2煤頂板依次為細(xì)砂巖、泥巖，細(xì)砂巖1.3 m，泥巖為灰色，塊狀，裂隙不發(fā)育，含砂質(zhì)，厚約4.0 m；16-2煤底板為灰-深灰色泥巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育，見(jiàn)滑面，厚約1.5 m。16-1煤厚平均1.0 m，16-1煤頂板為灰～深灰色泥巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育,見(jiàn)滑面，厚約1.5 m。底板為灰色泥巖，整體性差，節(jié)理、裂隙發(fā)育，破碎，厚約9 m，再下一層為花斑狀泥巖，厚度約為14.6 m。該巷道施工中水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，基本無(wú)滴、淋水現(xiàn)象。

2 動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)

動(dòng)壓巷道相較于普通巷道，如果遭受損壞，會(huì)發(fā)生更加劇烈的變形，而且變形的方式無(wú)法預(yù)估。維修人員在處理動(dòng)壓巷道的變形時(shí)，一般會(huì)采用多種支護(hù)方式，如錨噴、錨注、錨索、巷道卸壓技術(shù)和聯(lián)合支護(hù)方式等，對(duì)這些支護(hù)方式進(jìn)行整理。

2.1 “壁后充填”和“高阻力可收縮”支護(hù)技術(shù)

進(jìn)行巷道的深入發(fā)掘和做支護(hù)不可避免地在支架與已破碎圍巖之間形成不同尺寸的空隙，這樣就會(huì)影響到巷道受壓的均衡能力，讓支架的受力環(huán)境更加糟糕。往往在修復(fù)之前衡量的理論值會(huì)遠(yuǎn)超實(shí)際的承載能力。大多數(shù)人在面對(duì)這種情況時(shí)，一般會(huì)采用改變支架的型號(hào)來(lái)讓支架的阻力更加強(qiáng)大，但是一味的增加阻力有時(shí)候并不能改變局面，反而浪費(fèi)了材料，還達(dá)不到好的支護(hù)作用。如果從支架受力的角度分析，用壁后填充技術(shù)讓支架的承載能力變得更加均衡，壁后填充層和支架形成組合優(yōu)勢(shì)，就會(huì)更加有效的保證支架的受力條件良好。同時(shí)壁后填充能夠防水、放防熱和防風(fēng)化。當(dāng)然，在判斷壁后填充層能否平衡支架與圍巖之間的壓力，改善支架的承載能力，取決于這時(shí)的支架是否具備高阻力可收縮的性能。

當(dāng)支架具備可高阻力時(shí)，在圍巖發(fā)生損壞以及周邊發(fā)生變形時(shí)便可以產(chǎn)生大的阻力將變形延緩，具備好的收縮性又可以讓失去平衡性的支架內(nèi)部減少因?yàn)閲鷰r變形而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，一阻一收縮能夠讓巷道保持之前的平衡狀態(tài)。雖然高阻力和可收縮性對(duì)于巷道支護(hù)技術(shù)上能夠提供很大的支持，但是從成本上來(lái)看，其中耗費(fèi)的人力、物力和財(cái)力會(huì)比較高。

2.2 錨注支護(hù)技術(shù)

目前在巷道和巖土工程上通常會(huì)采用錨桿和注漿的方法對(duì)圍巖進(jìn)行加固。由于錨桿本身具有獨(dú)特的力學(xué)性能，所以在加固圍巖上能夠起到不錯(cuò)的效果，但具體效果還是要看性能的優(yōu)劣，錨桿的有效長(zhǎng)度是有限的，在有效長(zhǎng)度之內(nèi)，錨桿可以對(duì)圍巖變形起到阻力和限制的作用，但是如果錨桿的有效長(zhǎng)度達(dá)不到圍巖的破碎范圍，就會(huì)失去作用。

2.3 卸壓巷道卸壓技術(shù)

卸壓巷道技術(shù)能夠保護(hù)巷道收到外力的擠壓，對(duì)于環(huán)節(jié)圍巖變形，緩解阻力方面起到了良好的效果。通過(guò)實(shí)證可以看出，軟巖、動(dòng)壓和深井巷道，在巷道控制方式上已經(jīng)走上了前沿階段，但是也是比較難以控制的技術(shù)，對(duì)于技術(shù)層面的要求比較高，如果在控制上欠缺火候，很容易“引火燒身”，造成反面效果。

2.4 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

對(duì)于一些動(dòng)壓影響大的巷道，特別是受動(dòng)壓影響的采準(zhǔn)巷道，僅僅使用一種支護(hù)方式很難控制住巷道的變形破壞，在這種情況下，大多采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有錨噴+注漿＋錨索、錨桿＋網(wǎng)＋錨索、U型棚＋錨桿等等。聯(lián)合支護(hù)方式一般支護(hù)費(fèi)用較高。

如果巷道受到動(dòng)壓影響較大，并且是采準(zhǔn)巷道一類，就很難用單獨(dú)的支護(hù)進(jìn)行阻隔發(fā)生的變形，而采用聯(lián)合支護(hù)方式，可以通過(guò)錨噴、注漿和錨索共同作用的情況下，有效保護(hù)巷道，減少變形方面的破壞，但是相對(duì)來(lái)講，所消耗的成本也會(huì)比較大。

3 動(dòng)壓巷道注漿加固數(shù)值模擬

3.1 幾何模型

把該模型的寬度和高度分別定位102 m和72.4 m，間隔距離設(shè)置為46 m，石門底板的巖層保持30 m的厚度，加上38.4 m厚的頂板巖層，這樣一個(gè)模型基本就出來(lái)了，另外，想要讓模擬結(jié)果更精確些，可以再保持和巷道間23 m的距離。具體可以看圖1。載荷可以用來(lái)取代上覆巖層在模型中展示。

圖1 模型的幾何圖形

數(shù)值模型的建立分三步走：第一步，保證原始地的應(yīng)力條件不發(fā)生改變，這就要求在通過(guò)一定的計(jì)算分析平衡載荷和地層應(yīng)力的數(shù)值；第二步，將支護(hù)結(jié)構(gòu)放置在石門中，保持原本的平衡性；第三步，用注漿的方法以及架起保護(hù)棚的方式向西一石門提供支持。

3.2 力學(xué)參數(shù)

基于已經(jīng)設(shè)計(jì)好的分析模型，為體現(xiàn)注漿加固后的效果，將已經(jīng)注漿的加固圈的圍巖參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，來(lái)統(tǒng)計(jì)不同數(shù)值后的效果情況，具體的參數(shù)可參照表1。

表1 注漿加固后的巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2是無(wú)注漿和注漿形態(tài)下的對(duì)比，圖標(biāo)上可以體現(xiàn)圍巖的各方向應(yīng)力、塑性屈服分步和位移等特征。注漿模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 圍巖塑性屈服分布特征

表2 注漿模擬結(jié)果

基于巷道的圍巖塑性涉及的范圍，結(jié)合之后的塑性屈服的范圍數(shù)值，能夠看出如果采用擴(kuò)刷架U29型的支護(hù)，結(jié)合注漿技術(shù)（往壁后深淺孔），對(duì)塑性屈服范圍的減少有促進(jìn)作用。破碎的圍巖在注漿作用的保護(hù)下，能夠保持相對(duì)穩(wěn)固的作用力，同時(shí)也會(huì)對(duì)巷道的提供支持。U型棚和注漿兩種方法的加持，會(huì)產(chǎn)生更牢固的支撐力，增加了兩幫以及頂板處的穩(wěn)定性，同時(shí)也擴(kuò)充了底板的塑性區(qū)。

從圖2-2中看出，U型棚與注漿相結(jié)合提供給巷道方面的應(yīng)力更大，表明巷道中的圍巖在實(shí)施加固的措施之前，已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的屈服深度，這時(shí)再利用注漿的方法，進(jìn)一步的穩(wěn)定了破碎的巖體。

通過(guò)圖3中看出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)注漿的地方發(fā)生了比較明顯的變形，而在注漿的部位變形已經(jīng)受到阻力。石門底板位置相對(duì)于頂板和兩幫的位置，產(chǎn)生了更多的變形。通過(guò)比對(duì)明顯可以看出想要控制好石門底鼓，可以對(duì)兩幫和頂板的位置進(jìn)行加固。

圖3 注漿加固范圍