松軟破碎帶中巷道圍巖注漿加固參數(shù)研究

王 開,田取珍,張小強

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,太原030024)

軟巖經(jīng)1984年及1986年兩次國際巖石力學(xué)會議后定義為：“強度低,孔隙率大,膠結(jié)程度差,受構(gòu)造切割面及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層以及流變性能及高地應(yīng)力影響的巖層[1-2]”。而破碎帶則是指地層受地應(yīng)力作用后形成的碎裂區(qū)域。二者相結(jié)合所形成的松軟破碎帶地層使位于其中的巷道支護(hù)變得復(fù)雜化。位于松軟破碎帶巖層中的巷道其松動圈范圍一般較大。經(jīng)過大量試驗研究、理論分析及現(xiàn)場實測,認(rèn)為松動圈的“碎脹變形”是巷道收斂變形的主要原因,支護(hù)的主要對象是松動圈形成過程中的“碎脹變形”,松動圈越大,則圍巖變形量越大,巷道支護(hù)越困難[3]。

傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護(hù)已不能有效地解決松軟破碎帶中巷道的支護(hù)問題,必須通過改善巷道圍巖特性、提高圍巖自承能力來解決類似條件下的巷道支護(hù)問題。通過對巷道圍巖破碎區(qū)域的注漿加固補強,改變圍巖的力學(xué)特性,可以取得較好的支護(hù)效果。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對滲透注漿進(jìn)行了廣泛而深入的研究,得到了漿液在裂隙中的滲透規(guī)律[4],得出了漿液流量[5-12]、注漿壓力[8-9]、滲流速度、注漿時間和漿液擴散半徑等[10-12]之間的關(guān)系。

劉嘉材利用牛頓模型推導(dǎo)出了漿液沿裂隙面徑向流動的擴散方程[13];Baker假設(shè)注漿孔橫穿寬度為δ的單一光滑裂隙,通過圖解法得出了漿液在裂隙中的滲透規(guī)律[14]。但上述研究均未涉及注漿的深度及其合理范圍,也未涉及松動圈的范圍與注漿的關(guān)系。作者認(rèn)為：正是由于松動圈的存在,才使得巷道支護(hù)成為必需;注漿改善圍巖特性也正是針對松動圈內(nèi)松動破碎圍巖的加固和補強。本文以陽泉固莊煤礦為例,通過理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法,對該礦15號煤層巷道松軟破碎圍巖的注漿參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 地質(zhì)概況

固莊煤礦15號煤層巷道特定圍巖條件：巷道埋深280 m,煤層厚度7.0 m,煤質(zhì)較為酥軟,頂板巖層為碳質(zhì)頁巖和砂質(zhì)頁巖,底板為碳質(zhì)泥巖、泥巖。由于受褶皺構(gòu)造影響,巷道圍巖較破碎,抗拉、壓強度較低,巷道開掘后容易冒頂。采用一般的錨桿、錨索組合加懸吊的支護(hù)方式后效果較差。巷道斷面為矩形,規(guī)格尺寸為3 600 mm×2 600 mm(寬×高)。根據(jù)該礦煤層賦存條件和圍巖力學(xué)性質(zhì),現(xiàn)場實測和理論計算得出該矩形巷道塑性松動圈半徑呈不均勻分布,在巷道上角部位松動圈半徑達(dá)2.56 m,兩幫的松動圈半徑達(dá)2.16 m,均屬于大松動圈[15]。

2 巷道圍巖注漿加固參數(shù)研究

破碎帶中巷道圍巖注漿的目的是改善巷道圍巖的力學(xué)性能,提高圍巖的自承載能力,以使注漿后的巷道圍巖在其服務(wù)期間內(nèi)能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)要求。如前所述,在注漿壓力、注漿流量、注漿時間以及漿液的擴散半徑等方面已有的研究成果可供參考,這里主要研究注漿的深度和注漿孔之間的間距。為了縮短漿液的初凝時間和提高漿液的初期強度,工程上通常在水泥漿液中添加一定量的水玻璃。結(jié)合孔隙大小及水泥粒徑,根據(jù)工程經(jīng)驗,選用525號普通硅酸鹽水泥和濃度為45 mol/m3的水玻璃[16]。

在注漿設(shè)計中要強調(diào)兩個基本原則：其一是不發(fā)生漿體壓力對圍巖造成劈裂;其二是在不發(fā)生漿力劈裂和超過擴散半徑的前提下盡可能提高注漿壓力。在我國的煤礦巷道注漿工程中,一般采用的注漿壓力為1～3 MPa。固莊煤礦的現(xiàn)場測試表明：當(dāng)注漿壓力超過2.5MPa時,部分地段的圍巖開始滲漏漿液。圖1為現(xiàn)場測試注漿壓力、水灰比與漿液擴散半徑關(guān)系圖,試驗確定該礦采用的注漿終孔壓力為2 MPa。

圖1 注漿壓力、水灰比與漿液擴散半徑關(guān)系圖

我國煤礦巷道圍巖注漿時的漿液擴散半徑R值通常在1～2.5 m之間,在上述注漿材料及給定注漿壓力(2 MPa)的條件下,經(jīng)理論計算和現(xiàn)場實測得到該巷道圍巖的注漿擴散半徑為2.16 m。

在給定注漿材料、給定注漿壓力及保證擴散半徑的條件下,對不同水灰比(0.7,0.8,1.0)與不同注漿深度(2.6 m,2 m)相配合的6種條件下的圍巖穩(wěn)定性情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要研究不同條件下圍巖屈服破壞范圍和圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)。

2.1 巷道圍巖未注漿前的數(shù)值模擬

圖2為巷道圍巖未注漿前的屈服破壞圖,從圖中可以看出：巷道頂角處屈服破壞區(qū)域較大,約2.6 m,與理論計算的2.56 m基本吻合;而兩幫的屈服破壞區(qū)域從圖中看出大約2 m,與理論計算的2.2 m也基本吻合。圖3為巷道圍巖未注漿前的垂直應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,圖中淺色區(qū)域分布范圍大,最大應(yīng)力約8.7 MPa。巷道圍巖變形嚴(yán)重,破壞區(qū)域大,巷道頂角及兩幫不同程度地已經(jīng)受到剪切和拉伸破壞,將造成巷幫片幫和冒頂,頂?shù)装迨苤焕炱茐?破壞區(qū)域較小。

圖2 未注漿前巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))分布圖

圖3 未注漿前巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

2.2 采用2.6 m注漿深度下不同水灰比模擬比較

圖4 —圖9為注漿深度為2.6 m時不同水灰比的圍巖屈服破壞(塑性區(qū))分布圖和應(yīng)力云圖。從圖

圖5 水灰比0.7時應(yīng)力云圖

圖4 水灰比0.7時巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))圖

圖6 水灰比0.8時巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))圖

圖7 水灰比0.8時應(yīng)力云圖

圖8 水灰比1.0時巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))圖

圖9 水灰比1.0時應(yīng)力云圖

中可以看出注漿后圍巖塑性破壞區(qū)域范圍明顯縮小,特別是巷道頂角,巷道圍巖塑性區(qū)域明顯控制在1.6m以內(nèi)。0.7水灰比條件下的巷道頂角處的屈服破壞區(qū)域明顯較大,0.8水灰比條件下與1.0水灰比條件下的屈服破壞區(qū)域基本相同。從應(yīng)力云圖中得知,注漿后圍巖強度提高,塑性破壞區(qū)域變小,圍巖的應(yīng)力集中,0.7水灰比條件下的最大應(yīng)力區(qū)域較小,應(yīng)力值約10.667 MPa,0.8水灰比條件下的最大應(yīng)力區(qū)域較大,應(yīng)力值約11.172 MPa,1.0水灰比條件下的最大應(yīng)力區(qū)域最大,應(yīng)力值約11.566 MPa。通過上述分析,注漿深度為2.6 m、水灰比為0.8∶1時巷道圍巖穩(wěn)定性最好。

2.3 采用2.0 m注漿深度條件下的數(shù)值模擬

圖10 水灰比0.8時巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))圖

圖11 水灰比0.8時應(yīng)力云圖

圖10 ,11為注漿深度2.0 m時,水灰比為0.8巷道圍巖屈服破壞(塑性區(qū))圖及其應(yīng)力云圖,與圖6,7相比可以看出,巷道圍巖頂板的屈服破壞區(qū)域出現(xiàn)間斷,也即在2.0 m注漿深度的情況下,注漿區(qū)域與非松動區(qū)域之間仍存在松動帶,依然會出現(xiàn)頂板離層或冒落。造成此種現(xiàn)象的主要原因是由于巷道頂角上部有0.6 m的塑性區(qū)未注漿,在巷道頂角上方出現(xiàn)約0.6 m的塑性屈服破壞帶,但位于注漿帶內(nèi)巷道圍巖塑性區(qū)域仍控制在1.6 m內(nèi)。經(jīng)數(shù)模擬得知,0.8水灰比、注漿深度為2.0 m條件下的最大應(yīng)力值約10.377 MPa,0.8水灰比、注漿深度為2.6 m條件下最大應(yīng)力值約11.172 MPa,應(yīng)力值相差不大。由此可以確定,注漿深度應(yīng)等于或大松動圈的半徑。即：h≥D.h為注漿深度,m;D為巷道松動圈的半徑,m。

2.4 注漿孔的間距

注漿的目的是使巷道圍巖得以加固,在巷道周邊形成一個整體的力學(xué)承壓結(jié)構(gòu)。因此,除注漿深度外,注漿孔的間距對該承壓結(jié)構(gòu)的承載性能和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。由圖1可知,注漿壓力與漿液的擴散半徑基本成正比,也即注漿壓力越高其擴散半徑也越大。為使兩孔之間的碎裂區(qū)域中注入的漿液充分交匯,在給定的注漿壓力條件下,注漿孔之間的間距應(yīng)小于或等于2倍的漿液擴散半徑,即：B≤2d.B為注漿孔的間距,m;d為漿液的擴散半徑,m。

3 結(jié)論

處于松軟破碎帶的巷道圍巖較松散破碎,圍巖松動圈半徑較大,通過對陽泉固莊煤礦15號煤層巷道圍巖注漿試驗和相關(guān)參數(shù)的數(shù)值模擬,可以得出如下結(jié)論：

1)注漿的深度應(yīng)大于或等于巷道圍巖松動圈的半徑,使注漿后的加固結(jié)構(gòu)體與非松動圈形成整體的承載結(jié)構(gòu),否則頂板會產(chǎn)生離層甚至垮落現(xiàn)象。

2)注漿孔之間的間距應(yīng)小于或等于2倍的漿液擴散半徑,使得孔間破碎區(qū)內(nèi)漿液能夠充分交匯重合,形成完整的結(jié)構(gòu)圈體。

3)經(jīng)數(shù)值模擬分析,得出陽泉固莊煤礦條件下水灰比為0.8∶1,注漿深度為2.6 m時巷道圍巖穩(wěn)定性最好。該礦采用該方案后,巷道支護(hù)的各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),取得了良好的技術(shù)效果。

[1] 馮豫.我國軟巖巷道支護(hù)的研究[J].礦山壓力與頂板管理,1990,2：42-44.

[2] 何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[3] 靖洪文,付國彬,郭志宏,等.深井巷道圍巖松動圈影響因素實測分析及控制技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1999,18(1)：70-74.

[4] 楊米加,陳明雄,等.注漿理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(6)：839-841.

[5] 胡功笠,田艷鳳,張超,等.軟巖條件下錨注加固錨桿布置參數(shù)與注漿漿液參數(shù)的確定[J].巖土力學(xué),2003(24)：267-270.

[6] 郭惟嘉.覆巖離層帶注漿充填基本參數(shù)研究[J].煤炭學(xué)報,2000,25(6)：602-606.

[7] 王連國,李明遠(yuǎn),王學(xué)知.深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(16)：2889-2893.

[8] 祁和剛,郭夕祥,于士芹.破碎大巷變形機理與注錨加固技術(shù)[J].煤炭學(xué)報,2008,33(11)：1224-1229.

[9] 王俊光,梁冰,魯秀生,等.油頁巖礦松軟破碎圍巖巷道變形機理及控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報,2010,35(4)：546-550.

[10] 李剛,梁冰,張國華.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形特征及其支護(hù)參數(shù)設(shè)計[J].采礦安全與工程學(xué)報,2009,26(2)：183-186.

[11] 方新秋,何潔,何加省.深部高應(yīng)力軟巖動壓巷道加固技術(shù)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(6)：1693-1698.

[12] 許興亮,張農(nóng),徐基跟,等.高地應(yīng)力破碎軟巖巷道過程控制原理與實踐[J].采礦安全與工程學(xué)報,2007,24(1)：51-56.

[13] 劉嘉材.裂隙注漿擴散半徑的研究[C].水利水電科學(xué)院科學(xué)研究論文集,1988.

[14] Littlejohn G S.Chemical Grouting-1[J].Ground Engineering,1985,4.

[15] 董方庭 宋宏偉,郭志宏.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報,1994,19(1)：21-31.

[16] 劉玉祥,柳慧鵬.水泥-水玻璃雙液注漿中的最優(yōu)參數(shù)選擇[J].礦冶,2005,14(4)：1-6.