破碎圍巖注漿加固數值模擬研究

李 晨

（晟泰公司礦山技術服務分公司，山西 晉城 048006）

在加固破碎圍巖工程實例中，注漿+錨固技術聯合加固，是解決破碎圍巖巷道支護的有效途徑。在注漿材料的選取中，考慮到綜合成本問題，一般選用水泥漿作為主要漿液，輔以不飽和聚酯化學漿，能夠解決水泥漿與圍巖粘結差、滲透難的問題，恢復碎圍巖的完整性。但在實際注漿過程中，圍巖結構、注漿材料性能、注漿參數及工藝，都能影響注漿效果，如果參數設計不當，可能出現劈裂注漿，進一步惡化圍巖破碎[1]。本文主要是在胡底煤業輔運大巷實際圍巖結構特征的基礎上，利用離散元程序UDEC數值模擬軟件，針對注漿壓力、水灰比等因素進行研究，最大限度保證注漿效果。

1 工程概況

胡底煤業開拓巷道布置有5條巖巷，位于3#煤上方20～40m，巖性以泥巖、粉砂質泥巖主，層理發育，埋深約720m，凈煤柱為23～25m。目前1301首采面已經進入末采階段，停采線距與最近的輔助進風大巷之間凈煤柱約為89m。五條大巷石門受動壓影響變形大，其中輔運大巷變形最為嚴重，出現混凝土噴層大范圍脫落，局部區域錨桿、錨索破斷。根據現場實際條件，在盡量減小工程量的前提下，采用注漿+錨固聯合支護方案。本文根據確定漿液擴散數值模擬，最終確定注漿參數。

2 數值計算模型的建立

根據輔運大巷實際地質條件及相鄰巷道、工作面之間的相對位置關系，采用UDEC建立相應的數值計算模型，由于輔運大巷受相互掘進、工作面采動的影響，巷道變形嚴重。注漿工程一般在巷道變形后進行，注漿模型建立也是變形后的[2]。

注漿過程中漿液擴散主要受附近采動動壓影響，即1301首采面的影響。根據采面量順槽的斷面的大小和實際地質情況，所建模型大小為200×81.1m，模型塊體大小與巷道松動圈范圍有關，處于其范圍內的塊體體積較小，表明節理較密，其范圍外的塊體體積較大，表明節理較稀。純水泥漿液的密度按照下式計算：

式中：ρg為水泥漿的密度；ρc為水泥的密度，通常取為3g/cm3；ρw為水的密度，通常取為1g/cm3；W為水灰比。

根據單液水泥漿不同水灰比、不同注漿壓力值，本次計算共建立了5種不同水灰比條件下（水灰比分別為 1：1，0.8：1，0.7：1，0.6：1，0.5：1） 的模型。不同水灰比水泥漿的基本性能見表1。

表1 水泥漿液的基本性能

3 注漿參數的關系

3.1 注漿壓力、水灰比與擴散半徑之間的關系

擴散半徑是決定注漿工程量的重要因素，一般將其分為巷道切向方向、徑向方向兩部分研究。本文采用實驗確定法確定擴散半徑參數。針對輔運大巷實際條件，利用UDEC數值模擬軟件對不同注漿壓力、不同水灰比情況下的擴散半徑進行了計算[3]，結果如圖1。

圖1 注漿壓力、水灰比與擴散半徑關系

由圖1可知，在巷道切向、徑向方向，注漿壓力、水灰比與擴散半徑的關系成正比，近似于線性函數，即注漿壓力或水灰比增大時，擴散半徑也隨之變大，只是增長幅度不一致，但注漿壓力對擴散半徑的影響程度明顯大于水灰比對擴散半徑的影響程度[4]。

在巷道切向、徑向方向，水灰比為0.6：1與0.5：1時，由于漿液稠度大，注漿壓力過小時，漿液無擴散能力，故不做考慮。水灰比為0.7：1時，巷道切向、徑向方向擴散半徑為0.4、0.9m，注漿壓力從1MPa升到5MPa時，擴散半徑達到2.3m、1.8m，增長幅度為475%，100%。水灰比為0.8：1時，注漿壓力從1MPa升到5MPa，巷道切向、徑向方向擴散半徑分別由0.9m、1m增加到 3.6m、2.9m，增長幅度為 300%，190%。水灰比為1：1時，注漿壓力從1MPa升到5MPa，巷道切向、徑向擴散半徑分別由1.5m增加到4.5m、3.5，增長幅度為200%、130%。注漿壓力、水灰比對巷道切向擴散半徑的影響程度明顯大于巷道徑向擴散半徑的影響程度。

表2 擴散半徑隨壓力和水灰比增長的幅度

表2表示擴散半徑隨注漿壓力、水灰比的增長的幅度。由表2可以看出注漿壓力在4MPa，水灰比由0.7：1變為0.8：1時，切向半徑在擴散半徑由2.3m增加到2.7m，增加幅度為17%，徑向半徑在擴散半徑由2m增加到2.4m，增加幅度為20%。注漿壓力在 5Mpa，水灰比由 0.7：1 變為 0.8：1 時，切向半徑在擴散半徑由2.7m增加到3.7m，增加幅度為37%，徑向半徑在擴散半徑由2.4m增加到3.3m，增加幅度為38%。結果表明注漿壓力在4～5 MPa的時候，注漿壓力、水灰比對擴散半徑的影響程度在減弱。

3.2 注漿壓力在圍巖中的衰減規律

圖 2、圖 3 為 1：1、0.5：1 不同水灰比條件下，注漿壓力在巷道圍巖中的衰減曲線。由圖2可知，水灰比一定時，注漿壓力在巷道圍巖中的衰減規律，不是線性函數關系，而是類似拋物線形狀[6]。

在巷道圍巖徑向方向上，當注漿段距煤壁距離為0.8～1.2m左右時，注漿壓力最大，達到峰值，此時擴散半徑也最大。隨著注漿段距煤壁距離的縮小，在巷道表面圍巖方向，注漿壓力以較快速度衰減，此時擴散半徑也逐漸減小。當注漿段距煤壁距離超過1.2m左右時，在巷道深部圍巖方向，注漿壓力、擴散半徑以較慢的速度在衰減。距煤壁距離3.5m～5m時，注漿壓力衰減很慢，基本保持不變。

圖2 巷道徑向方向上注漿壓力衰減曲線

圖3 巷道切向方向上注漿壓力衰減曲線

而在巷道切向方向上，當注漿段距煤壁距離為2.5m左右時，注漿壓力最大，達到峰值，此時擴散半徑也最大。在注漿段兩側，即在巷道表面圍巖方向、巷道深部圍巖方向，注漿壓力以相同速度衰減，此時擴散半徑也逐漸減小，兩側衰減規律大致相同，大約在2.5m范圍內衰減為最小值。

結合上述分析，最終確定注漿參數：水灰比0.7：1，注漿壓力3～4MPa，此時擴散半徑最優，既能保證所用材料最省又能確保注漿效果最好。

4 礦壓觀測規律

4.1 巷道圍巖垂直應力分布

從圖4可以看出，采取注漿措施后，淺部圍巖承載能力明顯在增加，圍巖應力顯著提高，能夠承載20MPa應力。注漿后再進行錨注有效傳遞了錨桿（索）施加于圍巖表面的預應力，使深部圍巖應力向淺部轉移，淺部應力升高了5～10MPa，深部應力降低2～4了MPa，有效阻斷了20m范圍內深部圍巖體的破碎變形，顯著改善錨桿（索）對破碎圍巖的支護作用[7]。

圖4 巷道圍巖垂直應力分布

4.2 巷道表面位移觀測

采用十字布點法安設巷道表面位移監測斷面。在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆30mm、深400mm的孔，將32mm、長400mm的木樁打入孔中。頂底板、上下幫木樁端部安設測釘[8]。對輔運大巷不同區域進行表現位移觀測，其變形量如圖5所示。

圖5 支護方式與圍巖變形的關系

可以看出，圖中單純錨索支護，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm，頂板下沉量249mm；在使用注漿的基礎上再進行錨索補強的支護方式以后，巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm、頂板下沉量最大為164mm，與單純錨索支護相比，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降81.7%、72%、36.1%，變形量明顯減小，巷道支護質量明顯提升。

5 結 論

1）在水灰比和注漿壓力共同作用下，影響擴散半徑顯著的因素是注漿壓力，水灰比影響程度略次于注漿壓力；隨著注漿壓力逐漸升高，注漿壓力對擴散半徑的影響程度呈下降趨勢，水灰比的影響程度逐漸超過注漿壓力的影響程度。

2）針對高應力動壓影響巷道，淺部圍巖破碎嚴重，首先應采用高壓注漿加固技術，提高淺部圍巖承載能力，深部應力向淺部轉移，淺部圍巖應力能夠達到20MPa應力以上，深部應力降低2～4MPa，破碎圍巖形成完整結構體。在此基礎上采取強力錨索支護能夠充分發揮錨索與注漿后圍巖的相互作業，大大改善巷道圍巖性質，提高圍巖強度，確保加固后的巷道圍巖穩定，巷道圍巖變形量能夠減少60%以上，巷道加固質量和效果大幅提高，有效延長了巷道使用時間。