深部軟巖巷道注漿擴散規律的數值模擬研究*

周凱軍，肖帥軍，尹勇勤

（鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司裴溝煤礦，河南 新密 452382）

1 研究背景概況

隨著近二十年超強度開采，我國很多華北型礦區淺部資源已基本開采完畢，生產重心逐步轉移到中深部延伸開采范圍[1-2]。在深部延伸掘采中，受地應力影響，巷道圍巖受次生應力影響更大，圍巖穩定性變差，特別是軟巖巷道給維護工作帶來更大麻煩和困難[3-5]。目前為止巷道支護手段有很多類型，其中對軟巖巷道而言，注漿加錨網索耦合支護技術是一種很不錯的選擇[6-8]。注漿加固效果好的話則能夠較為顯著的提高巷道圍巖的抗破壞和變形能力，然而影響注漿加固效果的因素很多，主要有圍巖類型、地應力、斷面尺寸和形狀、注漿壓力和漿液配比等，特別是隨著深部延伸掘采，引起了眾多學者對深部軟巖巷道注漿加固方面的研究[9-11]。綜合對比分析發現，關于軟巖巷道破碎巖體注漿擴散規律相對研究偏少，主要采用模型試驗對注漿參數進行了探討[12-13]。裴溝煤礦42 采區是礦井深部延伸預開采的接續采區，目前正處于開拓階段。論文研究的對象是42 采區軌道下山，該位置實際埋深530～600m 左右。試驗段內巷道巖性以泥巖為主，普氏系數為2-4，圍巖強度較軟，在支護后巷道很容易發生較大變形。這條巷道埋深較深，且受到滑動構造的影響，是典型的軟巖破碎巷道。該巷道已開拓成型段較大部分都發生了嚴重的變形，給維修也帶來了很大麻煩，嚴重影響了42 采區的正常運輸。為此，本文以軟頂、軟煤層和軟底的“三軟”煤層裴溝煤礦深部42 采區掘進巷道為背景，應用數值模擬方法探究圍巖注漿擴散規律，為地質條件類似巷道注漿加固提供參考。

2 漿液體擴散規律數值模擬

2.1 數值模型的建立

根據該采區的地質概況和實測的圍巖松動圈結果建立數值計算模型[14]，注漿過程中漿液擴散屬于單個巷道模型，考慮是軟巖巷道，模型尺寸寬度和高度是巷道半徑的10 倍。建立模型長寬高分別為100×40×40m，橫斷面如圖1 所示。

考慮現場軟巖又破碎的實際條件，結合數值模擬的易操作性，本次共建立了25 種不同的水灰比和注漿壓力值單液水泥漿模型，具體組合方式見表1。

本次數值分析的過程中僅僅只分析單根注漿錨桿的情況，注漿錨桿注漿段長度1000mm，直徑20mm，注漿段離巷道圍巖表面600mm。

2.2 漿液在圍巖中的擴散形態

漿液在裂隙巖體中的實際擴散形態相當復雜[9]，很難在實際中按需求實行控制，由此通過數值模擬計算對其擴散形態進行研究。在不發生劈裂時，漿液是類似于脈管在巖體裂隙通道中擴散[15-16]。圖2 為4MPa注漿壓力時，水灰比在0.7∶1 及1∶1 兩種條件下，其在巖體裂隙中的分布狀態。漿液以注漿孔為中心向四周擴散，漿液流量也逐漸減少。

圖2 不同水灰比下漿液在圍巖中的分布

2.3 數值計算結果及分析

漿液擴散半徑是決定注漿工程量和工程進度的重要因素，擴散半徑可用一些理論公式進行估算，但理論公式計算需要的參數太多而且結果不準確，因此一般通過試驗確定[17-19]。本次計算針對42 采區軌道石門圍巖狀況（見圖1），通過數值模擬對不同注漿壓力和水灰比其漿液切向和徑向方向擴散半徑進行研究，具體結果如圖3 所示。

圖3 注漿壓力、水灰比與漿液擴散半徑關系

由圖3 可知，巷道圍巖注漿過程中漿液擴散有以下一些特點：

1）水灰比、注漿壓力和巷道切向、徑向漿液擴散半徑呈正相關關系。

2）研究表明影響漿液擴散半徑顯著的因素排序為：注漿壓力＞水灰。1MPa 注漿壓力時，當水灰比為0.7，巷道徑向、切向漿液擴散半徑分別為0.9m、0.4m，當水灰比為0.8 時，巷道徑向、切向漿液擴散半徑分別為1.2m、1m；當水灰比0.7 時，注漿壓力升高到2MPa，巷道徑向、切向漿液擴散半徑分別為1.4m、1.2m。保持1MPa 注漿壓力時，水灰比從0.7 變化到0.8 時，巷道徑向、切向漿液擴散半徑增長幅度分別為33.3%、150%；保持水灰比0.7 時，注漿壓力從1Mpa變化到2MPa，巷道徑向、切向漿液擴散半徑增長幅度分別為55.6%、200%。可知，影響漿液擴散半徑顯著的因素排序為：注漿壓力＞水灰。

3）研究發現注漿壓力變化為兩個階段。第一階段，當注漿壓力1～3MPa 階段中，漿液擴散半徑：徑向＞切向，但相差不是很大；第二階段，當注漿壓力3～5MPa 階段中，切向的漿液擴散半徑突增，最終漿液擴散半徑變為：切向＞徑向。

4）當注漿壓力從1MPa 變化到3MPa 時，隨著注漿壓力的增大，漿液擴散半徑的增大較明顯；當注漿壓力在從3 Mpa 變化到5MPa 時，隨著注漿壓力的增大，漿液擴散半徑的增大較弱；隨著注漿壓力的增大，巷道切向方向上漿液擴散半徑的增長幅度始終大于巷道徑向方向上的漿液擴散半徑。

圖4 分別為徑向和切向兩個方向在相同水灰比情況下注漿壓力在巷道圍巖中的數值模擬衰減曲線。由圖4 可知，在不同注漿壓力、水灰比情況下，注漿壓力在圍巖中的衰減曲趨勢相似。由于漿液水灰比的減小，注漿壓力的分布并不呈線性的函數關系遞減。而隨著水灰比的減小，衰減的速度也在增加。

圖4 水灰比0.8 巷道注漿壓力衰減曲線

在巷道圍巖徑向方向上，注漿壓力由圍巖表面向深部衰減速度逐漸減慢（圖4（a））；而切向方向上，其衰減規律與徑向方向上基本一致（圖4（b）），這說明在巷道切向方向上，在注漿壓力的作用下，重力對注漿壓力衰減、漿液擴散的影響可能不大。

3 注漿后效果檢驗

根據42 軌道下山地質及掘進條件，結合數值模擬結果進行了注漿加錨網索耦合支護技術對圍巖巷道進行了支護，支護好的地段開始對巷道變形情況進行監測，布置了5 個監測點，通過近一年的連續監測，頂底板累計移近量約65mm，兩幫累計移近量約62mm。限于篇幅，這里以1#站監測點為例（圖5），從表面位移變化可以看出，支護后近六個月兩幫和頂底板變形方趨于穩定，這一特征也反映了高應力軟巖巷道變形持續時間長的特點。且發現頂底板的表面位移變化和兩幫的在總體趨勢上具有一致性，都可以分成三個階段，第一階段從開始到160d，第二階段從160d到310d，第三階段從310d 到360d，第一和第三階段頂底板的表面位移均大于兩幫的。由此可見，注漿后長期礦山壓力作用下頂底板的反映比較大。

圖5 1#測站巷道圍巖表面位移量觀測結果圖

4 結 語

1）基于注漿加固原理初步分析基礎上針對42采區深部軟巖破碎圍巖巷道建立了漿液擴散的數值計算模型，設計了5 種不同注漿壓力和5 種不同水灰比組合的注漿試驗條件。

2）通過25 種不同組合的水灰比和注漿壓力，研究表明影響漿液擴散半徑顯著的因素排序為：注漿壓力＞水灰。

3）通過水灰比0.8 沿徑向和切向兩個方向不同注漿壓力在巷道圍巖中的衰減曲線對比，獲得了注漿壓力在巷道圍巖徑向和切向上的衰減規律，注漿壓力隨著距離巷道表面距離增加均呈先增大而后衰減的變化規律，但衰減具有差異性。

4）結合現場監測數據對支護效果進行了驗證，發現深部軟巖巷道采用注漿加錨網索耦合支護技術是可行的，但進入相對穩定變形階段時間較長。