高應(yīng)力大斷面巷道圍巖注漿加固機(jī)理及其應(yīng)用

王樹明，馮友良

（1. 陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；2. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

礦井巷道支護(hù)由早期的被動(dòng)支護(hù)發(fā)展到主動(dòng)支護(hù)和綜合支護(hù)，支護(hù)工藝日趨完善，特別是錨桿索支護(hù)，由于其支護(hù)形式穩(wěn)定，技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，能夠充分利用高剛性巖體自身的承載能力，且具有較高的經(jīng)濟(jì)性，在圍巖條件較好的淺埋深、低礦壓礦井已經(jīng)普遍推廣，對(duì)于巷道快速掘進(jìn)和安全生產(chǎn)起到積極作用[1]。但是目前由于礦井生產(chǎn)已經(jīng)逐步向深部延伸，隨著埋深的增加和地質(zhì)條件更加復(fù)雜，受高應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，巷道圍巖破壞程度日益加重，經(jīng)常出現(xiàn)鼓幫、冒頂、底鼓等礦壓顯現(xiàn)特征，甚至發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象[2-3]，尤其對(duì)于為了滿足重裝設(shè)備運(yùn)輸和礦井通風(fēng)需要而采用的大斷面巷道，往往需要多次維護(hù)才能滿足生產(chǎn)要求，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

為解決高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出多種解決方案，謝生榮等[4]針對(duì)煤巷支護(hù)提出“內(nèi)卸外錨”的支護(hù)手段，通過煤體內(nèi)部造穴讓壓補(bǔ)償和外部桁索強(qiáng)錨實(shí)現(xiàn)圍巖協(xié)同控制，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)上述方法的可行性進(jìn)行論證；耿友明等[5]通過理論分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)高應(yīng)力大跨度巷道受力情況進(jìn)行分析，并針對(duì)性提出相應(yīng)的支護(hù)方案；江成玉等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析，對(duì)深埋軟巖巷道礦壓特征進(jìn)行研究，提出“錨網(wǎng)索+壁后注漿+U型棚”的綜合支護(hù)工藝，取得良好的支護(hù)效果。綜合以上研究，目前采取的針對(duì)性支護(hù)措施不僅僅是提高巷道剛性，而是采取剛?cè)嵯噍o、柔讓結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)理念[7-13]，能更加有效地控制巷道圍巖變形，并在巷道工程中得到推廣應(yīng)用；但是，上述措施存在施工工藝復(fù)雜、施工成本高、對(duì)工作面地質(zhì)條件要求較高等問題?；诖?，根據(jù)某礦西翼第一輔運(yùn)大巷實(shí)際地質(zhì)條件，通過建立大斷面高應(yīng)力巷道圍巖力學(xué)模型，開展不同掘進(jìn)、支護(hù)工藝情況下巷道支護(hù)數(shù)值模擬分析，提出針對(duì)性的“分層掘進(jìn)+滯后注漿+錨索補(bǔ)強(qiáng)”圍巖控制方案，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中取得較好的支護(hù)效果。

1 工程概況

某礦主要開采煤層為山西組下部3#煤層。3#煤層為黑色塊狀，以亮煤為主，含暗煤條帶，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度較小，受到井田內(nèi)后期褶曲和正斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響，次生節(jié)理裂隙較發(fā)育。3#煤層煤厚2.63～10.52 m，平均5.70 m，受次一級(jí)褶曲構(gòu)造影響，煤層傾向變化較大，傾角2°～6°，平均4.5°，含夾矸1～3層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3#煤層上距2#煤層31 m，下距8#煤層36 m，煤層偽頂不發(fā)育，直接頂板以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，局部發(fā)育中細(xì)粒砂巖，直接底板為泥巖、粉砂巖互層，層理發(fā)育。礦井為高瓦斯礦井，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

該礦目前回采區(qū)域埋深約700 m，為滿足礦井運(yùn)輸和通風(fēng)要求，西翼第一輔運(yùn)大巷選擇大斷面掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)特征。為選擇合理的支護(hù)措施，對(duì)大巷圍巖采用水力壓裂法測(cè)試抗壓強(qiáng)度，測(cè)點(diǎn)位于西翼第一輔運(yùn)大巷通尺200 m處，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，圍巖最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為17.70 MPa和7.02 MPa，細(xì)砂巖、泥巖和3#煤層強(qiáng)度分別為78.8 MPa、43.1 MPa、11.9 MPa。巷道為矩形斷面，高度和寬度分別為5.8 m和5.6 m，巷道采取錨桿索支護(hù)，頂板錨索?21.6 mm×6300 mm，間距1000 mm；巷幫錨桿?22 mm×2400 mm，間距1000 mm，巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面圖Fig. 1 Profile of roadway support

2 注漿加固機(jī)理

2.1 提高巖體強(qiáng)度

為評(píng)價(jià)注漿加固前后圍巖強(qiáng)度，引入莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則[14]。注漿加固前莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線為K1，注漿加固后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線為K2；同時(shí)，內(nèi)摩擦角ψ和黏聚力C明顯增大，極限平衡情況出現(xiàn)顯著變化。在對(duì)圍巖淺部破壞帶和深部塑性變形區(qū)進(jìn)行注漿加固后，松散破碎或變形的巖石重新黏合、固結(jié)，圍巖內(nèi)摩擦角和黏聚力有所提高，物理力學(xué)性質(zhì)大幅度改善，增強(qiáng)了圍巖抗剪性能及穩(wěn)定性，提高了圍巖承載力，使其能夠承受接近于原巖的徑向力、切向力。注漿加固前后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線如圖2所示。

圖2 注漿加固前后莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線Fig. 2 Mohr stress circular envelope before and after grouting reinforcement

2.2 圍巖松動(dòng)圈控制

巷道施工后，打破原巖應(yīng)力平衡，使應(yīng)力在巷道周邊集中，對(duì)圍巖產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞作用，從而降低圍巖強(qiáng)度，形成一定范圍的破碎帶，即松動(dòng)圈[15]。松動(dòng)圈能夠在一定程度上體現(xiàn)出支護(hù)的困難程度。對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行注漿加固后，松散巖體被重新固結(jié)，形成一個(gè)具有骨架支撐作用的整體結(jié)構(gòu)，提高該范圍巖體的承載能力，降低應(yīng)力集中情況，能夠使現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)措施發(fā)揮更有效的作用，從而提高巷道穩(wěn)定性。

2.3 提高主動(dòng)支護(hù)效果

對(duì)破碎巖體進(jìn)行注漿加固后，需要及時(shí)開展主動(dòng)支護(hù)工作。松散巖體在注漿加固后形成整體骨架，提高松動(dòng)圈的剛性，在使錨桿索具有更大的錨固范圍的同時(shí)，還能夠抵消錨桿索形成的剪切應(yīng)力，避免加固后的圍巖發(fā)生相互位移，提高圍巖承載力。注漿加固后的整體骨架配合巷道的錨桿索主動(dòng)支護(hù)，大大提高其重疊范圍的承載極限，其承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不采取注漿加固的整體骨架，或者僅采取注漿加固或錨桿索支護(hù)其中一種的巷道支護(hù)形式。

3 松動(dòng)圈注漿加固力學(xué)分析

巷道淺部圍巖注漿加固后應(yīng)力情況改變，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖承載力提高，形成人造承載結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 矩形巷道松動(dòng)圈注漿加固后應(yīng)力分布Fig. 3 Stress distribution after grouting in loose ring of rectangular roadway

根據(jù)力學(xué)平衡原理，力的作用是相互的，動(dòng)力矩等于阻力矩，計(jì)算見式（1）和式（2）。

式中：T1為頂板水平應(yīng)力，MPa；q為頂板垂直應(yīng)力，MPa；R為巷底支承應(yīng)力，MPa；L2為注漿承載層長(zhǎng)度，m；L1為松動(dòng)圈寬度，m；H1為巷高，m；W為巷寬，m。

整理后得式（3）和式（4）。

根據(jù)上述力學(xué)分析，巷道松動(dòng)圈注漿加固產(chǎn)生人造承載結(jié)構(gòu)，底部承載位置向兩側(cè)深部移動(dòng)，松動(dòng)圈應(yīng)力降低。由式（3）和式（4）可得，注漿加固后，巷底支承應(yīng)力R隨著注漿承載層L2的增大而增大，垂向上的承載力受承載層長(zhǎng)度控制；松動(dòng)圈寬度L1增大、巷高H1減小，會(huì)導(dǎo)致頂板水平應(yīng)力T1增大，即巷道穩(wěn)定性受到水平承載力控制。因此，如要提高圍巖穩(wěn)定性，可采取技術(shù)措施增加承載層長(zhǎng)度。

4 支護(hù)方案數(shù)值模擬

4.1 不同支護(hù)方案數(shù)值模型建立

根據(jù)松動(dòng)圈注漿加固機(jī)理和力學(xué)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)4種不同的支護(hù)方案，并分別開展數(shù)值模擬。采用FLAC3D仿真計(jì)算軟件，根據(jù)巷道尺寸和工程地質(zhì)條件，建立矩形巷道模型，模型兩側(cè)和下邊界采用位移固定約束，頂面為應(yīng)力邊界，距地表700 m，加載17.5 MPa均布豎直應(yīng)力；3#煤層平均厚度5.70 m，巷道模型中巷寬5.8 m、巷高5.6 m。模型沿水平方向、高度方向和巷道軸向分別為x軸、y軸和z軸，長(zhǎng)度分別為30 m、35 m和1 m；模型共剖分35935個(gè)節(jié)點(diǎn)，23510個(gè)單元。具體方案如下所述。

1）方案1：分層掘進(jìn)，第1層斷面為5.8 m×3.8 m，之后落底實(shí)現(xiàn)全斷面掘進(jìn)，頂板錨桿索支護(hù)，不采用注漿加固措施。

2）方案2：分層掘進(jìn)，第1層斷面為5.8 m×3.8 m，掘進(jìn)后施工頂板錨索，應(yīng)力平衡后實(shí)施巷幫注漿工作，然后落底實(shí)現(xiàn)全斷面掘進(jìn)。

3）方案3：一次成巷，5.8 m×5.6 m斷面，頂板錨桿索支護(hù)，不采用注漿加固措施。

4）方案4：一次成巷，5.8 m×5.6 m斷面，掘進(jìn)后施工頂板錨索，并開展巷幫注漿工作。

頂板錨桿和錨索規(guī)格分別為?22 mm×2400 mm和?21.6 mm×6300 mm，間排距分別為1000 mm×1000 mm和2000 mm×1000 mm；巷幫錨桿和錨索規(guī)格分別為?22 mm×2400 mm和?21.6 mm×5300 mm，間排距分別為1000 mm×1000 mm和1500 mm×1000 mm。錨桿轉(zhuǎn)矩為400 N·m，錨索預(yù)緊力為320 kN。

注漿鉆孔設(shè)計(jì)：注漿孔多排布置，排距1.5 m，鉆孔間距1.4 m或1.6 m，幫部孔距頂板、底板0.5 m或1.1 m。孔徑42 mm，深度6 m，靠近頂板鉆孔施工為+10°，靠近底板鉆孔施工為-10°，其余鉆孔垂直巷幫。錨桿和錨索參數(shù)見表1；巷幫注漿加固后開展原位參數(shù)測(cè)定，結(jié)果見表2。綜合考慮模型尺寸和注漿半徑，數(shù)值模擬參數(shù)均按注漿加固后煤體力學(xué)參數(shù)。

表1 錨桿索力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of anchor cable

表2 煤體注漿加固后力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal after grouting reinforcement

4.2 數(shù)值模擬分析

對(duì)4種不同的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬后，可知支護(hù)形式的不同造成的支護(hù)效果差異較大。方案1數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。采取該方案，頂板破壞較小，幫部破壞較大，幫部塑性區(qū)發(fā)育約3.4 m，塑性區(qū)已經(jīng)超出錨桿加固范圍，因此，僅采取錨桿支護(hù)效果欠佳。巷道幫部應(yīng)力集中程度約為31 MPa，頂板下沉量和巷幫收縮量分別約為230 mm和290 mm，幫部變形較大。方案2數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。采取該方案支護(hù)，頂部塑性區(qū)發(fā)育和方案1相似，但幫部塑性區(qū)發(fā)育較小，不足2 m，幫部破壞相對(duì)較小。巷道幫部應(yīng)力集中程度約為27 MPa，應(yīng)力值較小，巷道總體應(yīng)力情況較佳，頂板下沉量和巷幫收縮量分別約為200 mm和230 mm，幫部形變不大，整體支護(hù)情況穩(wěn)定。方案3數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。采取該方案支護(hù)，頂部塑性區(qū)發(fā)育和方案1、方案2類似，但由于采用全斷面1次成巷，幫部變形較大，塑性區(qū)發(fā)育超過4.5 m，塑性區(qū)已經(jīng)超出錨桿加固范圍，使幫部錨桿支護(hù)基本失去應(yīng)有的效果，破壞深度已經(jīng)接近錨索錨固位置。巷道幫部應(yīng)力集中程度超過33 MPa，應(yīng)力發(fā)育較為集中，圍巖穩(wěn)定性差，頂板下沉量和巷幫收縮量分別為290 mm和400 mm，幫部形變較大。方案4數(shù)值模擬如圖7所示。采取該方案，頂部塑性區(qū)發(fā)育與上述方案類似，采用全斷面1次成巷，開展注漿加固后，幫部塑性區(qū)發(fā)育情況有一定好轉(zhuǎn)，但破壞情況超過方案2。巷道幫部應(yīng)力集中程度約為29 MPa，應(yīng)力集中程度稍大于方案2，小于方案1、方案3，表明注漿加固后圍巖的應(yīng)力情況有一定改善。頂板下沉量和巷幫收縮量分別為210 mm和250 mm，僅次于方案2，圍巖整體較穩(wěn)定。

圖4 方案1數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 4 Numerical simulation results of scheme 1

圖6 方案3數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 6 Numerical simulation results of scheme 3

圖7 方案4數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 7 Numerical simulation results of scheme 4

5 工程實(shí)踐

5.1 巷道支護(hù)方案確定

根據(jù)數(shù)值模擬以及巷道地應(yīng)力和圍巖抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，結(jié)合以往工程實(shí)踐情況，西翼第一輔運(yùn)大巷采用“分層掘進(jìn)+滯后高壓注漿+強(qiáng)力錨索支護(hù)”方案。該方案采用分層掘進(jìn)可以減少巷道變形，有效控制塑性區(qū)發(fā)育范圍，高壓注漿能夠填充松散圍巖裂隙，使其形成一個(gè)整體的骨架結(jié)構(gòu)，增加錨固疊加范圍，配合強(qiáng)錨支護(hù)，能夠提高巷道圍巖的承載能力，減少應(yīng)力集中情況。

5.2 應(yīng)用效果

按照上述支護(hù)方案在西翼第一輔運(yùn)大巷中進(jìn)行應(yīng)用，為驗(yàn)證支護(hù)效果，采用十字觀測(cè)法對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，5303工作面回采期間圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)示意圖如圖8所示，圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 圍巖變形觀測(cè)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of deformation observation of surrounding rock

圖9 圍巖移近量監(jiān)測(cè)Fig. 9 Deformation monitoring of surrounding rock

由圖9（a）可知，在巷道掘進(jìn)后的15 d內(nèi)，圍巖移近量較小，之后移近量隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，初期兩幫變形大于其他位置；頂板在15～50 d內(nèi)移近量較大，50 d時(shí)變形超過了50 mm，之后移近量有緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定；兩幫在15～75 d內(nèi)移近量較大，75 d時(shí)變形達(dá)到140 mm左右，之后移近量基本趨于穩(wěn)定；底板在15～55 d內(nèi)底鼓量較大，55 d時(shí)底鼓量66 mm，55～80 d內(nèi)有緩慢增長(zhǎng)，80 d時(shí)達(dá)到最大值約75 mm，之后底鼓量趨于穩(wěn)定。大斷面巷道掘進(jìn)期間巷道穩(wěn)定性主要受地應(yīng)力影響，采取綜合支護(hù)后，頂?shù)装逡平枯^小，以幫部變形為主，但移近量較小，基本不需要維護(hù)就能夠滿足生產(chǎn)需要。

由圖9（b）可知，5303工作面末采期間回采較慢，在礦壓觀測(cè)50 d后工作面開始上繩上網(wǎng)，此時(shí)，工作面距離西翼第一輔運(yùn)大巷僅40余m，回采超前支承壓力開始顯現(xiàn)，巷道變形量迅速增加。觀測(cè)期間，西翼第一輔運(yùn)大巷，在前50 d內(nèi)，圍巖變形量較小，之后基本隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，其中，在75 d之前底板變形更為顯著；頂板變形在50～175 d內(nèi)移近量較大，最大移近量約125 mm，之后趨于穩(wěn)定；兩幫移近量在50～200 d內(nèi)移近量較大，最大移近量約350 mm，200 d后移近量趨于穩(wěn)定；底鼓量在50～147 d較大，最大值173 mm，最后底鼓量基本趨于穩(wěn)定。綜上所述，回采期間由于采動(dòng)破壞和超前支承壓力作用，頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平烤兴龃?，且以兩幫變形為主，其次是底板變形，但是巷道整體移近量可控，在對(duì)局部進(jìn)行處理后，能夠滿足生產(chǎn)需要。

6 結(jié) 論

1）根據(jù)注漿加固機(jī)理分析，增加承載層的長(zhǎng)度可以有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，因此，可采取注漿加固措施，對(duì)松散破碎巖層進(jìn)行黏合固結(jié)，形成骨架結(jié)構(gòu)，有效提高圍巖穩(wěn)定性和承載力。

2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，分層掘進(jìn)可減小巷道圍巖自由面，從而減緩應(yīng)力釋放速度，滯后注漿可在應(yīng)力基本完全釋放后對(duì)破碎巖體進(jìn)行加固，加固后的松動(dòng)圈形成整體結(jié)構(gòu)后配合錨桿索支護(hù)，能夠有效減少圍巖破壞以及塑性區(qū)發(fā)育，支護(hù)體系能有效控制巷道變形。

3）工程實(shí)踐證明，“分層掘進(jìn)+滯后注漿+錨索補(bǔ)強(qiáng)”支護(hù)方案效果較好，變形主要集中在兩幫位置，回采期間巷道移近量遠(yuǎn)大于掘進(jìn)期間，頂?shù)装遄畲笠平考s為125 mm，兩幫最大移近量約為350 mm，底鼓量約為173 mm，但總體移近量可控，僅需要對(duì)局部進(jìn)行處理即可滿足生產(chǎn)需要。