王坡礦二次采動(dòng)影響下破碎圍巖巷道注漿加固研究

楊 帥 張 凱

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司）

受鄰近工作面和本工作面二次強(qiáng)烈采動(dòng)影響，復(fù)用順槽圍巖變形劇烈，錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，由于錨索預(yù)緊力被離層隔斷，無(wú)法向深部穩(wěn)定圍巖傳遞，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果差。中國(guó)礦大張農(nóng)教授等［1］通過(guò)研究注漿加固前后破裂巖塊的力學(xué)性能，表明注漿后破裂巖塊的殘余強(qiáng)度顯著提高，巷道在后期受力變形時(shí)仍可提供承載力。熊祖強(qiáng)博士等［2］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證了注漿加固后破碎煤體的整體性得到了提升，可應(yīng)用在復(fù)用留設(shè)巷道。秦海忠高級(jí)工程師、康紅普等［3-4］以晉煤成莊礦二采復(fù)用巷道注漿加固試驗(yàn)為例，注漿加固后復(fù)用巷道強(qiáng)度顯著提高。本研究以山西天地王坡煤業(yè)有限公司二次留巷3314運(yùn)輸順槽為例，通過(guò)UDEC對(duì)比研究了圍巖破碎注漿之后打錨索與圍巖破碎后直接打錨索的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)、變形以及錨索受力等。

1 工程概況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司主采煤層埋深約550～600 m，平均傾角約6°，煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均為15.5 MPa［5］。3316綜采面采用回順雙巷布置，3314運(yùn)輸順槽布置在3316 回順東側(cè)40 m，3314 運(yùn)輸順槽在3316 綜采面回采結(jié)束后作為3314 綜采面的運(yùn)輸順槽繼續(xù)使用。3314 運(yùn)輸順槽服務(wù)周期內(nèi)勢(shì)必要經(jīng)受二次采動(dòng)動(dòng)壓影響，3314 運(yùn)輸順槽受圍巖擾動(dòng)后發(fā)育的裂隙顯著減小了錨桿（錨索）預(yù)應(yīng)力場(chǎng)壓應(yīng)力區(qū)的范圍。當(dāng)對(duì)3314 復(fù)用順槽進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，巷道頂板、兩幫已發(fā)生破碎或離層，錨索的預(yù)緊力被離層隔斷，無(wú)法向深部圍巖傳遞，支護(hù)效果會(huì)明顯降低［6］，后期巷道維護(hù)較困難。

2 UDEC簡(jiǎn)介及模型建立

離散元程序UDEC 是一種基于非連續(xù)體模擬的離散單元法二維數(shù)值計(jì)算程序，可以模擬通過(guò)非連續(xù)面和空隙的流體流動(dòng)，目前塊體是不能滲透的。進(jìn)行固液耦合分析時(shí)，裂隙的導(dǎo)水性依賴于節(jié)理裂隙的變形。將流體流動(dòng)理想化為平行平面間的層狀黏滯流動(dòng)，用黏塑性流動(dòng)模型來(lái)模擬節(jié)理中水泥漿液的流動(dòng)［6-7］。

由于受巷道相互掘進(jìn)以及工作面開(kāi)采的影響，巷道變形嚴(yán)重，而注漿工程是在巷道變形后進(jìn)行的，分析注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散規(guī)律。根據(jù)斷面的大小和實(shí)際地質(zhì)情況，所建模型大小為240 m×40 m。

模擬計(jì)算分為以下幾個(gè)過(guò)程：①在開(kāi)挖之前，對(duì)模型四邊進(jìn)行固結(jié)，形成初始地應(yīng)力場(chǎng)；②對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)挖，形成巷道，迭代至系統(tǒng)平衡，迭代至平衡后進(jìn)行3316工作面回采，再進(jìn)行平衡計(jì)算；③進(jìn)行漿液擴(kuò)散；④3316 工作面分步進(jìn)行開(kāi)采；⑤對(duì)注漿之后錨索支護(hù)與圍巖破碎后直接打錨索支護(hù)的效果進(jìn)行分析［7-9］。

3 注漿對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

由圖1 可知，在受一次采動(dòng)影響時(shí)，綜采面回采后，留用巷道應(yīng)力重新分布，圍巖內(nèi)部顯現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)，圍巖應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，巷道兩幫由掘巷引起的集中應(yīng)力約13.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約1.65。水平方向上圍巖深部15.0 m左右，圍巖應(yīng)力基本上恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，底板圍巖深部13.5 m基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，頂板圍巖深部9 m 基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，一次回采動(dòng)壓的影響半徑在15.0 m左右。

受掘進(jìn)擾動(dòng)影響時(shí)圍巖表面垂直應(yīng)力范圍為10～13.5 MPa，單純打錨索加固后3316 工作面回采時(shí)3314 運(yùn)輸順槽圍巖表面垂直應(yīng)力范圍為10～18.5 MPa，注漿后打錨索后3316 工作面回采時(shí)3314 運(yùn)輸順槽圍巖表面垂直應(yīng)力范圍為10～17 MPa。

3314 運(yùn)順留巷在注漿結(jié)束后進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，巷道淺部圍巖應(yīng)力狀況有明顯的改善，說(shuō)明留巷注漿完成后再錨索補(bǔ)強(qiáng)，可以增強(qiáng)淺部圍巖承載能力，圍巖高應(yīng)力分布范圍呈現(xiàn)明顯縮小的趨勢(shì)，注漿后再進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，將使巷道深部圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至注漿加固后，承載能力增強(qiáng)的淺部巷道圍巖范圍內(nèi)，優(yōu)化了圍巖受力狀況，這是注漿加固的優(yōu)勢(shì)［10］。

4 注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

工作面回采時(shí)不同支護(hù)方式下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖2。

由圖2 可以看出，采用單純錨索支護(hù)方式，巷道兩幫和底板塑性區(qū)范圍仍較大，頂板塑性區(qū)范圍小，左幫塑性區(qū)最大發(fā)育范圍至4.9 m，右?guī)退苄詤^(qū)最大發(fā)育范圍至2.1 m，底板塑性區(qū)最大發(fā)育范圍至3.5 m，頂板塑性區(qū)最大發(fā)育范圍至1.9 m，留用巷道底板出現(xiàn)了強(qiáng)烈的張拉破壞趨勢(shì)。

在留巷圍巖內(nèi)注漿維護(hù)后再錨索補(bǔ)強(qiáng)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍會(huì)顯著縮小，左幫塑性區(qū)最大發(fā)育范圍縮小至2.8 m，縮減率為43%，右?guī)退苄詤^(qū)最大發(fā)育范圍縮小至1 m，縮減率為50%，底板塑性區(qū)最大發(fā)育范圍縮小至1.8 m，縮減率為49%，頂板塑性區(qū)最大發(fā)育范圍縮小至1.2 m，縮減率為37%，留巷圍巖無(wú)張拉破壞范圍。

5 注漿后錨索加強(qiáng)支護(hù)作用分析

圖3 為注漿與未注漿的破碎圍巖中錨索所受軸力情況。

頂板的錨索基本不受力，一是漿液由于重力作用很難擴(kuò)散到頂板的破碎圍巖中，其次由于受掘巷和工作面超前支承壓力的作用，頂板承受幾倍原巖應(yīng)力的作用，破碎、離層十分嚴(yán)重，甚至頂板整體下沉，基本失去可錨性，所以錨索打進(jìn)去根本發(fā)揮不了作用。

巷道右?guī)偷腻^索受的軸力也非常小，說(shuō)明內(nèi)部巖體破碎也十分嚴(yán)重。綜合可知，注漿能夠有效地膠結(jié)破碎的圍巖體，提高圍巖的完整性和可錨性，大大增強(qiáng)了錨索的作用力。

表1為王坡礦受動(dòng)壓影響后，巷道幫部進(jìn)行注漿前后對(duì)錨索預(yù)緊力進(jìn)行張拉試驗(yàn)結(jié)果。從表1 中可知，注漿后錨索預(yù)緊力均有顯著提高，增長(zhǎng)幅度為34%～61%，說(shuō)明通過(guò)注漿對(duì)破碎圍巖的充填膠結(jié)作用，改善了淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高了圍巖的可錨性，保證錨索支護(hù)初期對(duì)圍巖提供較高的預(yù)緊力，增強(qiáng)錨索對(duì)破碎圍巖的約束效果。

由前面的表述已知，巷道的左幫是在注漿基礎(chǔ)之上打錨索加固的，右?guī)秃晚數(shù)装迨窃谄扑閲鷰r上直接打錨索加固的。左幫錨索受力明顯好于其它位置的錨索，說(shuō)明在破碎圍巖體上注漿能夠有效地提高錨索的作用。

從注漿和未注漿打錨索加固后巷道圍巖位移場(chǎng)可知，巷道左幫圍巖的位移場(chǎng)最小，表明巷道左幫的支護(hù)最合理，顯著抑制了破碎圍巖的持續(xù)擴(kuò)容變形。巷道底板變形破壞最嚴(yán)重，右?guī)秃晚敯遄冃尾幻黠@，原因在于留巷頂板和右?guī)推扑閲鷰r支護(hù)強(qiáng)度不足，在垂直支承壓力作用下，高應(yīng)力逐漸向留巷底板轉(zhuǎn)移。

6 不同支護(hù)圍巖變形特征

圖4為支護(hù)方式與圍巖變形的關(guān)系，模擬分析采用不同支護(hù)后圍巖變形情況。

由圖4可以看出，留巷左幫錨索受力狀況較右?guī)土己茫蛟谟谔崆皩?duì)留巷左幫的破碎圍巖進(jìn)行了注漿處理，由圖4可知，原巖錨索受力不均勻，原因在于注漿漿液擴(kuò)散不均勻，局部位置的破碎圍巖體膠結(jié)情況好，就整體巷道圍巖而言，注漿處錨索的軸力有顯著提高。

可以看出，單純錨索支護(hù)，巷道最大兩幫位移量634 mm，底鼓量740 mm，頂板下沉量238 mm。采取注漿加固方案再進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)措施后，巷道兩幫監(jiān)測(cè)的最大位移收斂量約338 mm，最大底鼓量約445 mm，頂板最大下沉量約130 mm，與傳統(tǒng)的單純錨索支護(hù)相比，巷道圍巖變形呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降46.6%、40%、45.3%。

7 結(jié)論

（1）注漿后再打錨索后的3316 工作面回采時(shí)，3314 運(yùn)輸順槽圍巖表面垂直應(yīng)力較單純打錨索加固明顯改善。

（2）單純打錨索與在注漿基礎(chǔ)上進(jìn)行錨索支護(hù)，后者巷道圍巖塑性區(qū)范圍進(jìn)一步減小。注漿后錨索預(yù)緊力顯著提高，增長(zhǎng)幅度34%～61%，通過(guò)注漿對(duì)破碎圍巖的充填膠結(jié)作用，改善了淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高了圍巖的可錨性，保證錨索支護(hù)初期對(duì)圍巖提供較高的預(yù)緊力。

（3）在注漿基礎(chǔ)上再進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式與單純錨索支護(hù)相比，巷道圍巖變形明顯減小，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降46.6%、40%、45.3%。