地應(yīng)力紊亂區(qū)巷道圍巖關(guān)鍵注漿參數(shù)模擬及定向注漿加固技術(shù)研究

劉根亮

(潞安化工集團(tuán)有限公司 常村煤礦,山西 長(zhǎng)治 046000)

有效改善巷道支護(hù)狀況一般有兩種有效措施:一種是改變或調(diào)整巷道圍巖的結(jié)構(gòu)及性能;另一種是采取合理可行的支護(hù)技術(shù)[1-2]。而針對(duì)高應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的破碎圍巖巷道,采取單一支護(hù)方式成本高、支護(hù)效果較差,可采取注漿加固圍巖結(jié)構(gòu),同時(shí)針對(duì)巷道薄弱環(huán)節(jié)施加強(qiáng)力邊界條件的聯(lián)合支護(hù)方式,使得注漿后的圍巖在整體上形成一個(gè)連續(xù)的強(qiáng)力承載結(jié)構(gòu),進(jìn)而達(dá)到支護(hù)效果。在注漿過(guò)程中,通常采用數(shù)值模擬的方式確定合理的注漿參數(shù),李紅等[3]針對(duì)回采巷道受采動(dòng)影響容易發(fā)生變形破壞的問(wèn)題,研究了漿液擴(kuò)散的半徑隨注漿時(shí)間的變化規(guī)律,結(jié)果表明,隨注漿壓力的增加,漿液擴(kuò)散半徑逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定,隨注漿水灰質(zhì)量比的增加,漿液擴(kuò)散半徑先增加后減小。王學(xué)[4]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)淺部注漿孔間距為1.4 m時(shí),漿液擴(kuò)散均勻,形成厚度為1.2 m的加固圈;當(dāng)深部注漿孔間距為1.3 m時(shí),注漿效果最好,加固圈厚度為5 m.劉東等[5]研究發(fā)現(xiàn),未注漿加固的情況下,隧道開挖引起拱頂、仰拱,大范圍圍巖屈服破壞,洞周圍圍巖坍塌、涌水突泥等風(fēng)險(xiǎn)較大,注漿孔深30 m時(shí)較合理。許昌毓等[6]基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)超前壓力作用下的12101工作面運(yùn)輸巷相關(guān)參數(shù)進(jìn)行位移反分析研究,得到了耦合注漿加固后的圍巖參數(shù)。任旺等[7-9]在各種試驗(yàn)及數(shù)值模擬獲取到合理的注漿參數(shù)后,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特征,確定聯(lián)合支護(hù)方案,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),對(duì)支護(hù)后的圍巖進(jìn)行位移和形變的監(jiān)測(cè),進(jìn)而證明支護(hù)方式的合理性。劉永輝[10]通過(guò)高預(yù)緊力錨桿(索)+噴漿方式控制巷道圍巖變形,取得了較好的圍巖控制效果。劉永輝[10]針對(duì)該斷層破碎帶存在松散、承載能力差、具有導(dǎo)水性等情況,提出了超前注漿配合撞鍥、錨網(wǎng)噴以及U型鋼等聯(lián)合支護(hù)方案,并取得了較好的支護(hù)效果。溫恭謹(jǐn)[11]提出了通過(guò)超前注漿配合撞鍥、錨網(wǎng)噴以及U型鋼等聯(lián)合支護(hù)方案,支護(hù)后巷道未出現(xiàn)大量片幫、冒頂現(xiàn)象,巷道頂板變形量控制在75 mm以內(nèi),圍巖兩幫變形量控制在54 mm以內(nèi),且底板未出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,取得了較好的支護(hù)效果。

本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析的基礎(chǔ)上,提出了“強(qiáng)力拉+長(zhǎng)錨固+定向注”聯(lián)合支護(hù)的綜合加固支護(hù)概念。整個(gè)巷道的支護(hù)效果良好,無(wú)明顯離層現(xiàn)象;破碎帶圍巖注漿加固效果明顯(孔內(nèi)有明顯的水泥漿液充填,漿液擴(kuò)散明顯),整體注漿加固方案支護(hù)和修復(fù)效果理想。

1 工程概況與地質(zhì)條件

常村煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇到多個(gè)斷層構(gòu)造帶,巷道地應(yīng)力紊亂,變形量較大,且巷道變形無(wú)規(guī)律可言。本文以常村煤礦25采區(qū)膠帶下山為研究對(duì)象,根據(jù)打鉆情況顯示:25采區(qū)膠帶下山掘進(jìn)至距25采區(qū)2號(hào)聯(lián)巷西幫321.4 m可能揭露Fj274(H=6 m∠80°)正斷層。三維勘探二次解釋結(jié)果顯示:25采區(qū)膠帶下山掘進(jìn)至距25采區(qū)2號(hào)聯(lián)巷西幫415.6 m位置時(shí),可能揭露aFF12(H=0～8 m)逆斷層; 25采區(qū)膠帶下山掘進(jìn)至距25采區(qū)2號(hào)聯(lián)巷西幫419.8 m位置時(shí),可能揭露Fj271(H=2.4 m)正斷層;25采區(qū)膠帶下山掘進(jìn)至距25采區(qū)2號(hào)聯(lián)巷西幫77～307 m位置時(shí),巷道南幫外發(fā)育有aFn27(H=0～4 m)斷層,該斷層距離巷道北幫最近處約21 m.

2 圍巖關(guān)鍵注漿參數(shù)數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬模型建立

本模擬主要研究25采區(qū)膠帶下山在不同漿液水灰質(zhì)量比、不同注漿孔深度和不同加固注漿方案條件下的圍巖變形情況和塑性區(qū)分布特點(diǎn),確定圍巖注漿參數(shù)。對(duì)于漿液水灰質(zhì)量比,相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,不同的漿液水灰質(zhì)量比對(duì)應(yīng)的漿液結(jié)石體的28 d 強(qiáng)度不同,進(jìn)而影響注漿前后巖體的單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率、內(nèi)聚力增長(zhǎng)率和內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)率,其中巖體單軸抗壓強(qiáng)度和巖體彈性模量又近似呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,為此,可取漿液水灰質(zhì)量比分別為0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0,對(duì)應(yīng)注漿巖體不同彈性模量、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。對(duì)于注漿孔深度,可取滲透注漿區(qū)深度為3 m(考慮到膠帶下山圍巖破碎松散帶深度為2.5 m左右),劈裂注漿區(qū)深度(最外部邊界至滲透注漿區(qū)邊界的距離)依次為1 m,2 m,3 m,4 m和5 m.相關(guān)試驗(yàn)研究表明,巖體在注漿加固后,其剪切強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ)和變形參數(shù)(彈形模量E)均有所提高,為了方便研究,取內(nèi)聚力提高了100%,內(nèi)摩擦角提高了8°,彈性模量提高了50%.

以常村煤礦25采區(qū)膠帶下山的工程地質(zhì)條件為背景,利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D,建立數(shù)值計(jì)算模型,并對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化:模型整體尺寸為 71 m×20 m×30.8 m.其中,25采區(qū)膠帶下山斷面形狀為矩形斷面,巷道斷面尺寸為:毛寬4.64 m,毛高3.42 m,毛斷面15.87 m2,凈寬4.5 m,凈高3.3 m,凈斷面14.85 m2.對(duì)重點(diǎn)研究的巷道附近網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚?模型四周和底部施加位移約束條件,模型頂部施加應(yīng)力約束條件,按巷道上覆巖層(大約610 m厚的巖層)重力進(jìn)行估算后,施加15.25 MPa的垂直向下均布載荷,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果(區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)類型為σH>σV>σh型應(yīng)力場(chǎng)),側(cè)壓系數(shù)近似均取1.5,選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,數(shù)值計(jì)算模型如1所示,各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

表1 折減后巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

2.2 不同漿液水灰質(zhì)量比對(duì)巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布的影響規(guī)律

1) 不同漿液水灰質(zhì)量比條件下巷道圍巖頂?shù)装遄冃我?guī)律。從巷道圍巖頂板下沉量角度考慮,在相同的地質(zhì)工程條件和一定范圍內(nèi),巷道圍巖頂板下沉量峰值與漿液水灰質(zhì)量比呈正相關(guān)關(guān)系。由模擬結(jié)果可知,巷道圍巖頂板下沉量峰值增加速率呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì),且頂板下沉量峰值大小在漿液水灰質(zhì)量比為0.8時(shí)產(chǎn)生突變。從巷道圍巖底鼓量角度考慮,巷道圍巖底鼓量峰值與漿液水灰質(zhì)量比呈正相關(guān)關(guān)系。巷道圍巖底鼓量峰值減小速率呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì),且底鼓量峰值大小在漿液水灰質(zhì)量比為0.8時(shí)產(chǎn)生突變,見(jiàn)圖2.

圖2 巷道頂板下沉量和底鼓量峰值變化的數(shù)值模擬曲線

2) 不同漿液水灰質(zhì)量比條件下巷道圍巖兩幫移近量變化規(guī)律。在相同的地質(zhì)工程條件和一定范圍內(nèi),巷道圍巖兩幫移近量峰值與漿液水灰質(zhì)量比呈正相關(guān)關(guān)系。由模擬結(jié)果可知,巷道圍巖兩幫移近量峰值減小速率呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì),且兩幫移近量峰值大小在漿液水灰質(zhì)量比為0.8時(shí)產(chǎn)生突變,見(jiàn)圖3.

圖3 巷道兩幫移近量峰值隨漿液水灰質(zhì)量比變化的數(shù)值模擬曲線

3) 不同漿液水灰質(zhì)量比條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。在相同的地質(zhì)工程條件和一定范圍內(nèi),巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍與漿液水灰質(zhì)量比呈正相關(guān)關(guān)系。由模擬結(jié)果可知,巷道圍巖塑性區(qū)大小在漿液水灰質(zhì)量比不超過(guò)0.8時(shí),整體分布范圍較小。

綜上分析可知,巷道圍巖的變形量(頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?隨著漿液水灰質(zhì)量比的增加呈增大趨勢(shì),且在漿液水灰質(zhì)量比為0.8時(shí)產(chǎn)生突變;巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍在漿液水灰質(zhì)量比不超過(guò)0.8時(shí),整體分布范圍較小。因此,建議在實(shí)際工程中,漿液水灰質(zhì)量比宜控制在0.8左右。

2.3 不同注漿孔深度對(duì)巷道圍巖的變形和塑性區(qū)分布規(guī)律

1) 不同劈裂注漿區(qū)深度條件下巷道圍巖頂?shù)装遄冃我?guī)律。在相同的地質(zhì)工程條件和一定范圍內(nèi),從巷道圍巖頂板下沉量角度考慮,隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加,巷道圍巖頂板下沉量峰值逐漸減小。由模擬結(jié)果可知,巷道圍巖頂板下沉量峰值減小速率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),且頂板下沉量峰值大小在劈裂注漿區(qū)深度為4 m時(shí)產(chǎn)生突變。從巷道圍巖底鼓量角度考慮,隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加,巷道圍巖底鼓量峰值逐漸減小。由模擬結(jié)果可見(jiàn),巷道圍巖底鼓量峰值減小速率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),且底鼓量峰值大小在劈裂注漿區(qū)深度為4 m時(shí)產(chǎn)生突變,見(jiàn)圖4.

圖4 數(shù)值模擬條件下巷道頂板下沉量和底鼓量峰值隨劈裂注漿區(qū)深度的變化曲線

2) 不同劈裂注漿區(qū)深度條件下巷道圍巖兩幫移近量變化規(guī)律。在相同的地質(zhì)工程條件下,在一定范圍內(nèi),隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加,巷道圍巖兩幫移近量峰值逐漸減小?？梢?jiàn),巷道圍巖兩幫移近量峰值減小速率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),且兩幫移近量峰值大小在劈裂注漿區(qū)深度為4 m時(shí)產(chǎn)生突變,見(jiàn)圖5.

圖5 數(shù)值模擬條件下巷道兩幫移近量峰值隨劈裂注漿區(qū)深度的變化曲線

3) 不同劈裂注漿區(qū)深度條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。相同的地質(zhì)工程條件下,在一定范圍內(nèi),隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加,巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍幾乎不變。且塑性區(qū)分布范圍大致為:頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為2.5 m,兩幫破壞深度為2.0 m .

綜上分析可知,巷道圍巖的變形量(頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加呈減小的變化趨勢(shì),且在劈裂注漿區(qū)深度為4 m時(shí)產(chǎn)生突變;巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍幾乎不受劈裂注漿區(qū)深度變化的影響,因此建議在實(shí)際工程中,劈裂注漿區(qū)深度宜控制在4 m左右。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 “強(qiáng)力拉+長(zhǎng)錨固+定向注”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)

巷道開挖后,原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破,巷道周邊圍巖由原先的三向穩(wěn)定受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了兩向不穩(wěn)定受力狀態(tài),使巖體強(qiáng)度大大降低,并產(chǎn)生一定范圍的松散破碎帶(即圍巖松動(dòng)圈)。在應(yīng)力重新達(dá)到平衡狀態(tài)的過(guò)程中,松散破碎帶內(nèi)的巖體原先存在的結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生滑移、錯(cuò)動(dòng)等,進(jìn)一步使巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展,裂隙、孔隙張開,從而可以使?jié){液在較低的壓力下輕松地注入到巷道的松散破碎帶內(nèi),并在其內(nèi)部滲透擴(kuò)散以加固巖體,此過(guò)程對(duì)應(yīng)圖6中的淺部滲透注漿加固區(qū);隨著圍巖距巷道表面距離的不斷加大,其應(yīng)力狀態(tài)逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力狀態(tài),即松散破碎帶以外的圍巖在應(yīng)力重新調(diào)整的過(guò)程中,其內(nèi)部原有的弱結(jié)構(gòu)面、不連續(xù)結(jié)構(gòu)面等幾乎不受影響,裂隙張開度較小。此時(shí),漿液必須在高壓狀態(tài)下才可以注入到此區(qū)域,即通過(guò)高壓漿液應(yīng)力使巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面張開,從而使?jié){液在劈裂擠壓的作用下順利進(jìn)入以起到加固作用,此過(guò)程對(duì)應(yīng)圖6中的深部劈裂注漿加固區(qū);在恢復(fù)破碎圍巖完整性、提高圍巖承載能力的基礎(chǔ)上(即兩次加固作用之后),采用強(qiáng)力錨索等高強(qiáng)支護(hù)體對(duì)整個(gè)巷道的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化處理,如圖6中的薄弱部位加強(qiáng)帶所示,并使淺部加固區(qū)與深部加固區(qū)有機(jī)地結(jié)合在一起,使整個(gè)巷道形成一個(gè)以“兩加固區(qū),一加強(qiáng)帶”為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)承載支護(hù)體系。

圖6 支護(hù)原理圖

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,給出了具體的適合礦井25采區(qū)膠帶下山的修復(fù)加固方案,即“強(qiáng)力拉+長(zhǎng)錨注+定向注”的破碎圍巖修復(fù)注漿加固支護(hù)方案:先圍巖淺孔(孔深3 m)滲透注漿加固,再圍巖深孔(孔深7 m)劈裂注漿加固,最后圍巖幫部補(bǔ)強(qiáng)錨索加固。在完成支護(hù)的同時(shí)對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),以分析支護(hù)方案的合理性。

通過(guò)對(duì)25采區(qū)膠帶下山3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行為期60 d的位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)將各測(cè)站頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S時(shí)間的變化曲線繪制為圖7和圖8,從圖中可以看出:

圖7 巷道頂?shù)装逡平侩S時(shí)間的變化曲線

圖8 巷道兩幫移近量隨時(shí)間的變化曲線

1) 25采區(qū)膠帶下山圍巖表面各測(cè)點(diǎn)位移值呈現(xiàn)出隨時(shí)間增加而不斷增大的變化趨勢(shì),觀測(cè)起點(diǎn)從某一斷面開始掘進(jìn)算起,監(jiān)測(cè)到圍巖變形速率在掘巷15 d內(nèi)較大,其中,巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔冃嗡俾首畲笾捣謩e達(dá)到2.3 mm/d,3.0 mm/d;掘巷大約35 d 后各測(cè)點(diǎn)變形開始趨于平緩,此時(shí),巷道頂?shù)装逡平亢拖锏纼蓭鸵平孔冃嗡俾史謩e達(dá)到1.7 mm/d,2.3 mm/d;在掘巷50 d以后,各測(cè)站巷道圍巖變形量幾乎保持不變,說(shuō)明巷道在此時(shí)已處于穩(wěn)定階段。

2) 從25采區(qū)膠帶下山某斷面處開挖一直到穩(wěn)定的整個(gè)過(guò)程中,巷道頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量的最大值分別達(dá)到40 mm,25 mm,88 mm,均在工程設(shè)計(jì)誤差允許范圍之內(nèi),因此,可認(rèn)為加固方案支護(hù)效果理想。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究圍巖關(guān)鍵注漿參數(shù)取值,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證聯(lián)合支護(hù)方案的合理性,初步得出以下結(jié)論:

1) 巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍在漿液水灰質(zhì)量比不超過(guò)0.8時(shí),整體分布范圍較小,因此建議在實(shí)際工程中,漿液水灰質(zhì)量比宜控制在0.8左右。

2) 巷道圍巖的變形量(頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?隨著劈裂注漿區(qū)深度的增加呈減小的變化趨勢(shì),且在劈裂注漿區(qū)深度為4 m時(shí)產(chǎn)生突變;巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍幾乎不受劈裂注漿區(qū)深度變化的影響。因此,建議在實(shí)際工程中,劈裂注漿區(qū)深度宜控制在4 m左右。

3) 25采區(qū)膠帶下山巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤尸F(xiàn)出隨時(shí)間增加而先逐步增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì),即巷道依次經(jīng)歷初期(15 d以內(nèi))劇烈變形期、中期(15～50 d)穩(wěn)步增長(zhǎng)期和后期(50 d以后)平緩穩(wěn)定期,且巷道表面各測(cè)點(diǎn)變形量均在工程設(shè)計(jì)允許變形范圍內(nèi),其中,頂?shù)装逡平孔畲笾禐?5 mm,兩幫移近量最大值為88 mm,說(shuō)明“強(qiáng)力拉+長(zhǎng)錨注+定向注”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)成功解決了25采區(qū)膠帶下山的加固修復(fù)難題。