深埋巷道耦合注漿漿液擴散范圍及加固特性研究

曹西武 ，田茂霖 ，肖洪天 ，韓立軍

（1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；3.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

隨著煤礦開采深度的增加，巷道破碎圍巖支護注漿成為巷道安全方面關注的焦點，針對破碎軟巖巷道找到1 種效果優良的支護方式成為巷道加固的重點[1-8]。常規的錨索、錨桿等支護方法，在應對圍巖相對破碎且疏松的情況下，由于可錨性差，在對破碎圍巖進行加固時往往效果不是很理想。并且，常規的注漿加固技術只能單獨進行淺孔注漿以及深淺孔間隔注漿，不但加固效果一般且注漿孔的布置及對打孔數量的要求較高，在施工時，步驟也相當繁瑣[9]。在巷道支護方面，潘瑞等[10]深入研究了在不同巖塊粒度、巖性、錨索數量等因素影響下的淺層破碎巷道圍巖錨注加固承載性能；康紅普等[11]針對復雜工況巷道支護問題，通過強力錨桿支護系統和高預應力耦合加固，使支護加固效果得到有效提高；劉泉生等[12]為克服深部軟巖巷道使用普通注漿施工方法進行支護，加固效果不好的問題，采用“三步注漿工藝”對巷道的施工區域進行支護，加固效果得到較大提升；楊坪等[13]設計了砂卵礫石層工況下的注漿試驗，分析了注漿擴散半徑受不同地層參數及注漿相關因素的影響；孟慶彬等[14]引入了“錨注加固體等效層”，得到了巷道圍巖位移和塑性區受到錨固加固體等效層不同力學參數的影響。在注漿擴散數值模擬方面，針對不同漿液采用不用擴散模擬方法則成為研究的重點[15-19]。

以往學者主要研究了錨桿、錨索、錨注等支護方式對巷道圍巖的加固特性，研究其破壞機理及控制技術。但這些支護方式針對破碎圍巖的加固效果有限，且注漿擴散范圍的劃分方式通常以距離注漿口一定距離作為加固半徑進行計算，存在一定的誤差。為此，針對這些方面的問題，在前人研究研究成果的基礎上，以王家嶺煤礦12101 工作面運輸巷破碎圍巖加固為工程背景，利用數值模擬軟件COMSOL 對巷道模型進行注漿擴散范圍計算，以壓力等值面為注漿擴散范圍劃分指標，確定不同注漿加固工況下的漿液擴散范圍，將帶有漿液擴散范圍的巷道模型導入3DEC 進行加固特性數值模擬研究；對比分析了王家嶺12101 工作面運輸巷原支護方式與不同注漿加固方式的支護效果。

1 深淺孔-高低壓耦合注漿加固

1.1 耦合注漿加固優點

高低壓-深淺孔耦合注漿加固首先采用淺孔低壓注漿，通過低注漿壓力使漿液滲透到注漿孔周圍巖體中，充填周圍巖體的裂隙以及孔隙，此外，注漿漿液凝固后具有膠結作用，使破碎圍巖黏接成結石體，增加圍巖強度同時能夠有效減少高壓注漿漿液的滲漏。隨后在低壓淺孔注漿基礎上，進行高壓深孔注漿，進一步增大漿液滲透能力和擴散范圍。深淺孔-高低壓耦合注漿利用高壓深孔注漿對低壓淺孔注漿進行補強，2 個階段相互配合，從而使漿液更好的滲入巷道周圍的破碎圍巖，有效提高巷道圍巖強度。

1.2 普通注漿與耦合注漿對比

常規高壓注漿和低壓注漿注漿孔的長度為5 m，在進行注漿工作時，注漿壓力的選取分別為5 MPa 和2 MPa。而深淺孔高低壓耦合注漿采用雙段式循環注漿，注漿過程分別為：①采用淺孔低壓注漿，此時注漿孔長度為2 m，注漿壓力為2 MPa；②進行深孔高壓注漿，此時注漿孔的長度為5 m，注漿壓力為5 MPa。選用不同注漿加固方式下的單孔注漿截面壓力如圖1，不同注漿方式下注漿壓力擴散至1 MPa 時注漿孔不同位置的擴散半徑如圖2。

圖1 不同注漿方式壓力分布圖Fig.1 Pressure distribution of different grouting methods

圖2 不同注漿方式擴散半徑Fig.2 Diffusion radius of different grouting methods

由圖1、圖2 可知：當僅采用淺孔低壓注漿進行加固時，進入到破碎圍巖的漿液較少，漿液擴散半徑與另外2 種注漿加固工況相比小，受此因素的影響漿液對破碎圍巖的黏結效果不佳；當僅采用深孔高壓注漿時，注漿加固漿液擴散范圍顯著增加，但注漿口周圍的壓力很大，同時該位置的漿液擴散半徑大，因此會產生漿液通過注漿口滲漏的情況發生；當采用深淺孔高低壓耦合注漿時，淺孔低壓注漿可將注漿管周圍的破碎圍巖黏結為1 個整體，形成止漿墊，將注漿口周圍的巖體固定下來，有效減小了漿液泄露情況的發生，同時漿液擴散范圍較大，加固效果得到保障。

2 巷道注漿擴散范圍及加固特性數值模擬

2.1 數值計算模型參數

山西王家嶺煤礦20101 工作面運輸巷的開挖沿著2#煤的底板進行，為5.60 m×3.55 m 的矩形巷道，結合王家嶺煤礦20101 工作面運輸巷煤層綜采工作面煤層地質賦存條件，賦予不同地層相關參數，各巖層厚度均按綜合柱狀圖平均厚度確定，確定模型采用Mohr-Coulomb 本構模型。煤巖層厚度綜合柱狀圖如圖3，模型物理力學參數見表1。

圖3 煤巖層厚度綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of coal rock thickness

巷道原支護方式為：頂部通過錨桿及錨索進行加固，錨桿為6 根尺寸為22 mm×2 200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距為1 000 mm×900 mm；錨 索 尺 寸 為17.8 mm×8 250 mm，間 排 距2 000 mm×1 800 mm。幫部同樣通過錨桿進行加固，錨桿為4 根尺寸為20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×900 mm。

2.2 巷道注漿擴散范圍劃分

本次數值模擬巷道尺寸為5.60 m×3.55 m 的矩形巷道，注漿過程如下：

1）進行低壓淺孔注漿加固。通過風鉆打眼的方式布置注漿孔，注漿孔的半徑為45 mm，深度為2 000 mm，注漿孔排距1 200 mm×900 mm；所布置注漿管的規格為38 mm×500 mm。使用水泥-水玻璃漿液作為注漿材料進行加固，水泥采用水灰比為0.8～1.0 的42.5 級普通硅酸鹽水泥。添加水泥質量3%～5%的水玻璃。選用2 MPa 左右的注漿壓力進行淺孔低壓注漿。

2）進行深孔高壓注漿。淺孔高壓注漿后形成了圍巖加固圈，淺孔低壓與深孔高壓使用同1 根注漿管進行。進行深孔高壓注漿前，通過鉆機對注漿孔掃空，得到半徑28 mm，深度為5 000 mm的注漿孔；選用5 MPa 左右的注漿壓力進行注漿，注漿材料為水泥漿液。

使用COMSOL 進行巷道注漿擴散范圍確定，結合巷道工程概況確定邊界條件及初始條件，建立60 m×60 m×30 m 的巷道注漿加固擴散模型。分別計算出全斷面高壓耦合注漿、兩幫高壓頂部低壓注漿、全斷面低壓注漿3 種注漿加固工況下的注漿加固漿液擴散范圍。取漿液擴散壓力的2 MPa處作為有效注漿加固的范圍[20]，3 種工況下的漿液擴散范圍如圖4。兩幫高低壓耦合頂部低壓注漿，巷道幫部擴散半徑5.83 m，巷道頂部擴散半徑3.42 m。與全斷面高低壓耦合注漿相比，幫部注漿擴散半徑減小0.51%，頂部注漿擴散半徑減小40.8%。

圖4 不同注漿加固工況漿液擴散范圍Fig.4 Grout diffusion range under different grouting reinforcement conditions

2.3 巷道注漿擴散模型建立

首先將計算得出的注漿擴散范圍每隔3 m 做1 個截面，共產生11 個截面；然后將各個截面的輪廓線進行素描，并將輪廓線數據導入繪圖軟件Rhino 中；緊接著對輪廓線進行放樣操作，使得不規則的注漿擴散范圍輪廓線變成實體；之后建立帶有不同地層厚度的60 m×60 m×30 m 的圍巖模型，并開挖出5.60 m×3.55 m×30 m 的巷道，由于全斷面低壓注漿未形成有效加固區域，故取低壓注漿管長度0.5 m 作為注漿擴散區域；最后劃分出計算網格，并導入數值模擬軟件3DEC 中。

2.4 巷道注漿加固特性結果分析

針對原支護方式、全斷面低壓注漿加固、全段面高低壓耦合注漿加固、幫部高低壓耦合拱頂低壓注漿加固4 種支護工況，分別對巷道中間斷面監測點處巷道頂板沉降、巷道幫部收斂及圍巖塑性區分布進行對比分析。

2.4.1 巷道頂板沉降

不同工況下巷道圍巖豎向位移云圖如圖5，不同工況下巷道中心截面頂部監測點處豎向位移如圖6。

圖5 巷道斷面豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement diagrams of roadway section

圖6 不同工況下拱頂監測點豎向位移Fig.6 Vertical displacement of vault monitoring points under different working conditions

由模擬結果可知，隨著注漿加固方式的改變，漿液擴散范圍隨之變化。全斷面低壓注漿未形成有效注漿加固區。全斷面高低壓耦合注漿，巷道幫部擴散半徑5.86 m，巷道頂部擴散半徑5.78 m。

對比分析可知：原支護方式下拱頂監測點處沉降值為672.4 mm；采用全斷面高壓注漿加固，拱頂沉降值為632.8 mm，與原支護相比減小5.89%；采用全斷面高低壓耦合加固，拱頂沉降值為373.8 mm，與原支護相比減小44.4%；采用幫部高低壓耦合拱頂低壓注漿加固，拱頂沉降值為382.7 mm，與原支護相比減小42.1%。

2.4.2 巷道幫部收斂分析

不同工況下巷道斷面水平位移云圖如圖7，不同工況下幫部監測點水平位移如圖8。

圖7 巷道斷面水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement diagrams of roadway section

圖8 不同工況下幫部監測點水平位移Fig.8 Horizontal displacement of side monitoring points under different working conditions

對比分析可知：原支護方式下幫部監測點處收斂439.1 mm；采用全斷面高壓注漿加固，幫部監測點處收斂403.4 mm，與原支護相比減小8.13%；采用全斷面高低壓耦合加固，幫部監測點處收斂246.9 mm，與原支護相比減小43.7%；采用幫部高低壓耦合拱頂低壓注漿加固，幫部監測點處收斂257.8 mm，與原支護相比減小41.3%。

2.4.3 塑性區分布

不同工況下巷道圍巖塑性區分布如圖9。

圖9 不同工況下塑性區分布Fig.9 Distribution of plastic zone under different working conditions

原支護和全斷面低壓注漿塑性區最大深度均大大超過了現有支護錨桿的長度，使支護效果大大減弱，無法充分發揮錨索及錨桿的性能，不能保障運輸巷在工作面推進過程中的安全穩定。全段面高低壓耦合注漿與幫部高低壓耦合拱頂低壓注漿，巷道圍巖塑性區分布與原支護相比，塑性區總面積減小，能夠更好地控制破碎圍巖在煤礦開采過程中的超前來壓造成的破壞，能夠有效保證工作面回采期間的安全。

根據巷道頂板沉降、幫部收斂及塑性區分布可知，深淺孔-高低壓耦合注漿支護效果與原支護相比更加理想，同時幫部高低壓耦合頂板低壓注漿與全斷面高低壓耦合注漿相比加固效果相近，因此選擇幫部高低壓耦合頂板低壓注漿能夠在保障巷道安全的同時更加經濟。

3 工程實際應用

以王家嶺煤礦12101 工作面運輸巷圍巖加固為工程背景，應用深淺孔-高低壓耦合注漿加固，得到的310、285、270、250、235、220 m 處布置的6 個斷面（1#、2#、3#、4#、5#、6#）巷道頂板沉降與巷道幫部收斂監測數據如圖10。2#、3#、4#斷面采用耦合注漿加固，1#、5#、6#斷面未進行注漿加固。

圖10 各監測斷面巷道頂板沉降與幫部收斂值Fig.10 Roof settlement and side convergence of each monitoring section

對比同時間段內監測的幫部和頂板的位移可知，在監測斷面中，耦合注漿段的位移量總體上明顯小于未注漿段的位移量，深淺孔-高低壓耦合注漿加固得到有效的應用。

將3#斷面的監測數據與壓力等值面作為注漿區域劃分方式及選取巷道5 m 范圍作為注漿區域進行對比。3#斷面巷道頂板沉降監測值為348 mm，本研究注漿區域劃分方式頂板沉降373.8 mm，巷道5 m 范圍作為注漿加固區域頂板沉降438.3 mm。3#斷面巷道幫部收斂監測值為143 mm，本研究注漿區域劃分方式的巷道幫部收斂為246.9 mm，巷道5 m 范圍作為注漿區域的巷道幫部收斂為287.5 mm。由監測結果與數值模擬結果對比可知：巷道頂板沉降值與實際監測值比較接近；由于煤巖體的實際參數、頂板圍巖的破碎狀態以及注漿的施工質量等略有差異，導致頂板位移的預測值較為保守，遠大于實際測量值，對于現場工程來說精度基本滿足要求。本研究注漿加固區域劃分方式與常規注漿區域劃定方式相比，精度更高，更符合工程實際情況。

4 結 語

1）由壓力等值面劃分注漿范圍、將巷道5 m區域作為注漿范圍所得巷道頂板沉降、巷道幫部收斂值與現場實測數據對比可知，壓力等值面劃分注漿范圍的方法與常規注漿范圍確定方法相比，精度更高，更符合工程實際情況。

2）普通低壓與高壓注漿存在注漿壓力及注漿量不易控制，注漿效果較差等問題，采用深淺孔-高低壓耦合注漿，淺孔低壓注漿與深孔高壓注漿2 個注漿過程相互配合，有效保障加固效果；由數值模擬結果與現場實測數據可知，耦合注漿段的位移量總體上明顯小于未注漿段的位移量，深淺孔-高低壓耦合注漿能夠對巷道圍巖進行有效加固。