深埋高應力巷道破碎頂板注漿加固技術研究

喬立瑾 ，朱家勝

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024;2.煤炭工業太原設計研究院，太原 030001；3.中國神華神東煤炭集團 補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

當前煤炭深部開采存在應力集中程度高、剛開挖圍巖就呈現破碎狀態，傳統支護手段難以有效加固[1-3]。為此，后續加強支護和加固成為彌補支護不及時的一種有效措施[4-6]。破碎圍巖加固中，注漿加固應是成效快、操作可行的施工技術，但施工和設計方案的合理與否決定著支護效率和效益，方案不當將會造成事倍功半[7-9]。因此，尋找破碎圍巖合理的注漿支護方案和驗證注漿加固效果顯得必不可缺。

陽煤五礦后備區開采深度達820 m以上，巷道頂板在開挖瞬間已處于高度破碎狀態，傳統的錨網支護只能起到護表作用，不能從根本上維護圍巖穩定，未能發揮圍巖的自承載能力。為此，本文以該礦井底車場為實際背景，在其地質資料的基礎上，利用經典離散元軟件結合地質窺視尋找合理的支護方案，為巷道加固提供技術支持。

1 工程背景

運輸大巷埋深820 m，頂板在巷道掘進期間已處高度破碎狀態，巷道斷面為直墻半圓拱形（5.84 m×5.02 m），巷道幫部以砂巖為主，頂板向上依次為砂質泥巖、泥巖、細砂巖、砂巖，底板為砂質泥巖（厚約9m）。通過現場取芯并運回實驗室測定，獲得圍巖力學參數。

原始巷道采用錨桿+錨索+鋼筋網+噴C20混凝土支護，見圖1，錨桿間排距800 mm，錨索間排距1 000 mm×800 mm，噴射C20混凝土厚120 mm，局部變形嚴重帶采用混凝土背板+U型鋼支架加強支護。巷道掘進中，局部仍存在圍巖破碎帶逐漸擴大現象，最終形成嚴重片幫和冒頂，在約150 d后初始表現穩定的巷道也有變形嚴重的問題。

圖1 巷道支護斷面圖

2 巷道失穩機理分析

分析巷道破壞首先是分析其破壞表現形式和破壞位置及深度，見圖2和圖3。

圖2 巷道表面破壞表現形式

圖3 頂板鉆孔內部破壞情況

從圖看出，巷道頂板破壞嚴重，噴射混凝土表面呈現片裂式破壞，幫部完整性較好；為能了解頂板內部破壞情況，通過鉆孔窺視儀查看頂板內部圍巖完整性狀況；發現頂板表面圍巖破碎程度最大，破碎帶約深至3.5 m。繼而結合巷道所處的應力環境分析巷道破壞的主要因素：1)高埋深條件下的應力場：高埋深巷道圍巖表現為工程軟巖，軟巖的流變性較強，反映著載荷與時間的相關性，隨著時間推移，流變造成圍巖永久變形增大；當永久變形積累到一定量時，圍巖承載能力下降，圍巖局部失穩，單獨和疊加的局部失穩最終形成巷道整體失穩。

2）低圍壓的影響：巷道開挖后，圍巖表面法向方向應力釋放，這種應力釋放造成主應力差增大，進而造成圍巖破壞傾向增大，當這種應力差足夠大時，圍巖將會破壞。

3）支護的匹配性：對于地下空間而言，影響穩定性的因素除了載荷、受載體外，還包括支護體。支護體所提供支護力的大小、方向、位置特征是決定地下空間穩定程度的關鍵因素。支護力可以改變表面圍巖的受力狀態，減小圍巖主應力差，降低圍巖破壞的傾向性。

3 新的支護方案

影響巷道穩定性因素的分析中，巷道所處應力場難以改變，提高巷道穩定性的有效途徑應是增大圍巖表面壓力和提高支護力。對于已開挖巷道形成破碎區域的，應進行注漿加固，以使破碎圍巖體重新形成完整承載體，增強圍巖自承載能力；設計新的支護方案在原有支護方案的基礎上增加深度4 m的注漿加固。

4 新舊方案支護效果對比

采用大型離散元軟件分析新舊方案的巷道穩定性狀態，模型尺寸100 m×80 m。采用平面應變模型分析，模型左右邊界限制水平位移，上邊界施加均布力以模擬覆巖壓力20 MPa，下邊界限制豎直位移。巖體力學參數依據表1賦值。

表1 巖層分布及物理力學參數表

模擬結果顯示，舊方案支護時，巷道變形劇烈，底鼓較為明顯，兩幫也有一定程度的移近，頂板沉降尤為嚴重；U型鋼拱頂塌陷變形突出，兩幫支架出現彎曲變形；兩幫及其肩角和底角出現了不同程度的斷裂（與實際支護失效情況較為吻合）見圖4；巷道圍巖塑性區范圍較大，已經到達巷道頂板老頂位置，出現大量拉伸斷裂區域。

圖4 舊方案圍巖變形圖

新方案支護時，巷道圍巖變形得到明顯減少，幾乎保持了設計的巷道斷面尺寸；U型鋼與錨桿錨索均保持較好的承載狀態，沒發現明顯的破壞斷裂現象。漿液在巷道圍巖中分布較為均勻合理，整個支護體均處于較好的支護狀態，實現了較高的承載能力，見圖5。

據上模擬可知：漿液在注漿壓力作用下充分地滲到巖塊裂隙中，將松散破碎的圍巖有效地膠合在一起，減少了巷道周邊圍巖的松散結構，控制了錨固區范圍內的頂板沉降和底板鼓起現象，使圍巖強度恢復的同時，提高了圍巖的整體性。注漿之后，再聯合錨桿錨索和U型鋼支護，可將由注漿膠合后的錨固體承載結構固結在巷道深部穩定巖層中，有效控制了巷道的整體穩定性，并使，圍巖應力狀態得到明顯改善。

圖5 新方案圍巖變形圖

5 結論

本文依據陽煤五礦后備區運輸大巷存在埋深大、地應力高、頂板破碎的特征，通過分析該條件下巷道圍巖的失穩特征，提出了巷道加強支護的措施，并利用離散元軟件予以分析，得到以下結論：①應力場、圍巖力學特性、支護力分布特征是決定巷道穩定的三大因素，改善巷道圍巖穩定性在于改變圍巖的力學特性和支護力分布特征。②高埋深巷道圍巖由于應力高而表現出流變特性，且在圍巖表面呈現主應力差大、支護耦合性差的特點。③對于頂板破碎，而幫部和底板較穩定的巷道可以通過注漿加固頂板，提高頂板和巷道整體在剛度和強度的匹配，以達到支護的耦合度。

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