高偏應力作用下注漿孔圍巖塑性區連通機制及加固技術研究

李洪蛟

（1.煤炭科學技術研究院有限公司礦用材料分院；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室）

注漿加固技術在煤礦井下應用已經較為廣泛，在圍巖相對破碎區域實施注漿加固，有助于改善圍巖的支撐能力，確保現場安全［1-3］。注漿加固技術能夠順利實施的前提是注漿孔可以通過裂隙等將漿液擴散至圍巖內部。注漿孔施工完畢后，圍巖充滿裂隙才能為漿液的流動創造空間，否則，漿液會沿著注漿孔流出，無法達到內部加固的目的。在外力的作用較小時，注漿孔之間的圍巖是相對封閉的，不會產生互相影響，但當外力的作用較大時，不同注漿孔會產生相互影響，這種影響是一把雙刃劍，一方面要求注漿孔圍巖具有裂隙，為漿液流動創造條件，另一個方面，過多的連通即是對圍巖的一種損傷。因此，研究注漿孔圍巖塑性區（破壞）的連通機制是必要的，其為注漿加固技術的實施提供了重要理論基礎，也為現場注漿參數的設計提供了指導。

正常情況下，若圍巖所受應力場較小，其內部破碎程度亦較小，此種情形下，無需注漿加固。但當圍巖所受應力場較為異常時，如高應力或偏應力狀態，經常導致圍巖出現較多內部裂隙，此時通常采用強支護或者注漿加固技術。但實際上，在異常應力場作用下，注漿孔洞之間是互相影響的，這種影響是注漿技術能夠成功的關鍵要素之一［4-6］。本研究首先分析不同偏應力條件下單個注漿孔圍巖塑性區形態，然后分析高偏應力條件下多個注漿孔圍巖塑性區連通機制，為高偏應力作用下注漿孔圍巖加固技術提供支撐。

1 不同偏應力條件下單個注漿孔圍巖塑性區形態

1.1 力學模型

為研究不同偏應力條件下單個注漿孔圍巖塑性區形態，建立力學模型，見圖1。模型為典型的平面應變問題，平面方向上，模型為200 m 的正方形，垂直方向上，深度為1 m。在模型中心設置1 個圓形注漿孔洞，固定模型位移邊界條件，假設模型所受最大主應力（外力）為P1，最小主應力（外力）為P3。在外力的作用下，模型中任一單元體的破壞采用摩爾-庫侖準則進行判定，當超過單元體的屈服極限時，認為單元體塑性化。雖然以塑性化代表破壞存在一定的誤差，但可以用于揭示圍巖破壞機制。

1.2 理論計算結果

孔洞周邊每個單元體的應力狀態及塑性破壞條件可以采用文獻［7-8］中的公式進行計算，根據該隱性公式，可以得到單個孔洞周邊的塑性區分布形態，借助Python程序可以獲得孔洞周邊圍巖塑性區邊界，進而得到不同偏應力場下孔洞周邊塑性區形態理論計算結果，見圖2。偏應力值不同時，塑性區呈現出了不同的形態。當最大主應力與最小主應力的比值為1 時，模型所受外力是均勻的，塑性區呈現圓形形態；當比值為1.5 時，模型所受外力是不均勻的，在最大主應力方向會呈現更多的塑性單元，從而呈現橢圓形；當比值為2.5 時，模型所受外力的不均勻程度加大，在最大主應力方向呈現的塑性單元變的更多，但是垂直方向增加程度小于兩翼方向，從而呈現出“蝶形”狀態；當比值為2.75 時，模型所受外力的不均勻程度持續加大，塑性區由“蝶形”狀態向“后蝶形”演變。

1.3 數值模擬結果

按照理論計算過程施加計算條件，數值模擬結果同樣呈現出了類似的規律，見圖3。綜上所述，理論計算結果和數值模擬結果均表明，不同偏應力條件下單個注漿孔圍巖塑性區形態不同，隨著偏應力場程度的增大，經歷了從圓形到橢圓形，到“蝶形”，再到“后蝶形”的狀態轉變，圓形和橢圓形塑性區條件下，孔洞之間的連通是相對困難的，但蝶形和后蝶形條件下，塑性區的擴展通常達到了孔洞半徑的幾十倍，甚至上百倍，為孔洞之間的相互連通創造了條件。

2 高偏應力條件下多個注漿孔圍巖塑性區連通機制

2.1 圍巖塑性區與主應力分布狀態關系

受超前支承壓力影響，回采工作面前方經常出現高偏應力場的情形，這種情況可能是由最小主應力的減小、最大主應力的增大或者兩者因素疊加的結果。回采工作面前方一定范圍內，最大主應力可達最小主應力的2～6倍（甚至更高），該高偏應力場條件經常造成回采工作面前方煤體破碎程度較高，因此，本文以介質中存在多個鉆孔的模型作為研究對象，得到其在高偏應力場條件下塑性區擴展形態及主應力分布狀態。

2.2 多個注漿孔圍巖塑性區連通的數值模擬分析

仍然采用摩爾-庫侖判定準則，固定位移邊界條件，建立宏觀模型后，單獨取出部分鉆孔進行分析，得到了高偏應力場條件下不同注漿孔的FLAC3D數值模擬結果，見圖4。在高偏應力場作用下，孔洞周邊出現了明顯的剪切和拉伸破壞，每個孔洞周邊均呈現出了蝶形的破壞區域，而且受孔洞間距影響，蝶形塑性區的“葉片”出現了相連的情況，此時采用注漿加固技術，漿液的流動及加固效果將更加明顯。從注漿孔平面應力分布來看，應力也呈現出互相疊加影響的形態。越往孔洞深部，應力值越大，說明深部的貫通程度更高。

從以上的數值模擬結果可以看出，高偏應力條件下多個注漿孔圍巖塑性區均呈現為“蝶形”或者“后蝶形”，由于“蝶葉”的擴展范圍更廣，導致了多個注漿孔的塑性區出現了連通，將有助于漿液的擴散，提升加固效果。

3 高偏應力作用下注漿孔圍巖加固技術實踐研究

以上述注漿孔塑性區連通機制為指導，在河北省某煤礦回采工作面進行了現場工程實踐。該回采工作面受超前支承壓力影響較大，預計最大主應力與最小主應力的比值可以達到5 以上。鉆孔淺部裂隙分布較少，深部裂隙出現了蝶形連通，使用封孔器將淺部與深部隔離開，通過注射管將漿液注入深部區域，借助注射花管將蝶形連通擴展至整個深部區域，形成有效連通區，提高注漿加固效果。注漿鉆孔布置平、斷面圖見圖5，鉆孔深度為4～6 m，角度為45°～60°，孔間距為3～4 m，根據工作面的頂板情況及煤體裂隙發育情況，選擇高分子化學加固材料進行注漿加固，注漿壓力2～4 MPa。達到注漿壓力出現大面積漏漿或者注漿量達到1 000 kg 時，終止注漿，大面積漏漿停注后原位補打鉆孔進行補注。

在現場進行了注漿加固測試，將注漿段與非注漿段的巷道表面移近量進行對比，結果顯示：非注漿段巷道頂底板移近量平均值為700 mm，而注漿段范圍內頂底板平均移近量為450 mm，說明注漿后巷道圍巖得到了一定的控制，加固效果良好，順利完成了初期安全回采。

4 結語

（1）隨著偏應力場程度的不斷加大，單個注漿孔圍巖塑性區的形態呈現出由圓形變為橢圓形，再變為“蝶形”，最后變為“后蝶形”的規律。

（2）高偏應力條件下多個注漿孔圍巖塑性區均呈現為“蝶形”或者“后蝶形”，“蝶形”的“蝶葉”可能為鉆孔直徑的幾十上百倍，為多個注漿孔的塑性區的連通創造了條件，將更加有助于漿液的擴散。

（3）以注漿孔塑性區連通機制為指導，在河北省某煤礦回采工作面進行了現場工程實施。使用封孔器將淺部與深部隔離開，通過注射管將漿液注入深部區域，借助注射花管將蝶形連通擴展至整個深部區域，形成有效連通區，提高了注漿加固效果。