采動影響下深部巷道注漿加固技術數值模擬研究

葉義勇

（山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

我國的礦井資源相對來說是比較豐富的，但是隨著近些年來，相關單位和組織對于我國煤礦井工資源的大力開采，已經出現了部分老礦井資源枯竭的現象。面對這樣的情況下，作為主要巷道保護煤柱的煤炭資源成為了人們開始回收的對象。這不僅僅會影響到眾多巷道的維護，如果進行大量的開采行動甚至會造成巷道本身的損害。比如原本沒有損壞的巷道，表面會受到擠壓變形，作為支架作用的支護體系一旦受到破壞，圍巖便會出現被擠出的效應，導致巷道整體的平衡性受到嚴重的影響。想要再去進行修復，需要動用大量的人力、物力和財力，而且修復過程比較繁瑣，稍有不慎，便會造成無法挽回的損失，牽一發而動全身導致其他完好的部分受到傷害，最終會影響到整個礦井的開采，同時也會引發安全隱患。

1 巷道概況

西一石門的地質條件如下：標高為-650 m，地面平均標高＋20.8 m，修復預加固范圍為西一石門四聯至五聯，全長300 m，分別揭露16-1、16-2煤；16-2煤厚平均0.8 m，16-2煤頂板依次為細砂巖、泥巖，細砂巖1.3 m，泥巖為灰色，塊狀，裂隙不發育，含砂質，厚約4.0 m；16-2煤底板為灰-深灰色泥巖，節理、裂隙發育，見滑面，厚約1.5 m。16-1煤厚平均1.0 m，16-1煤頂板為灰～深灰色泥巖，節理、裂隙發育,見滑面，厚約1.5 m。底板為灰色泥巖，整體性差，節理、裂隙發育，破碎，厚約9 m，再下一層為花斑狀泥巖，厚度約為14.6 m。該巷道施工中水文地質條件較簡單，基本無滴、淋水現象。

2 動壓巷道支護技術

動壓巷道相較于普通巷道，如果遭受損壞，會發生更加劇烈的變形，而且變形的方式無法預估。維修人員在處理動壓巷道的變形時，一般會采用多種支護方式，如錨噴、錨注、錨索、巷道卸壓技術和聯合支護方式等，對這些支護方式進行整理。

2.1 “壁后充填”和“高阻力可收縮”支護技術

進行巷道的深入發掘和做支護不可避免地在支架與已破碎圍巖之間形成不同尺寸的空隙，這樣就會影響到巷道受壓的均衡能力，讓支架的受力環境更加糟糕。往往在修復之前衡量的理論值會遠超實際的承載能力。大多數人在面對這種情況時，一般會采用改變支架的型號來讓支架的阻力更加強大，但是一味的增加阻力有時候并不能改變局面，反而浪費了材料，還達不到好的支護作用。如果從支架受力的角度分析，用壁后填充技術讓支架的承載能力變得更加均衡，壁后填充層和支架形成組合優勢，就會更加有效的保證支架的受力條件良好。同時壁后填充能夠防水、放防熱和防風化。當然，在判斷壁后填充層能否平衡支架與圍巖之間的壓力，改善支架的承載能力，取決于這時的支架是否具備高阻力可收縮的性能。

當支架具備可高阻力時，在圍巖發生損壞以及周邊發生變形時便可以產生大的阻力將變形延緩，具備好的收縮性又可以讓失去平衡性的支架內部減少因為圍巖變形而導致的結構破壞，一阻一收縮能夠讓巷道保持之前的平衡狀態。雖然高阻力和可收縮性對于巷道支護技術上能夠提供很大的支持，但是從成本上來看，其中耗費的人力、物力和財力會比較高。

2.2 錨注支護技術

目前在巷道和巖土工程上通常會采用錨桿和注漿的方法對圍巖進行加固。由于錨桿本身具有獨特的力學性能，所以在加固圍巖上能夠起到不錯的效果，但具體效果還是要看性能的優劣，錨桿的有效長度是有限的，在有效長度之內，錨桿可以對圍巖變形起到阻力和限制的作用，但是如果錨桿的有效長度達不到圍巖的破碎范圍，就會失去作用。

2.3 卸壓巷道卸壓技術

卸壓巷道技術能夠保護巷道收到外力的擠壓，對于環節圍巖變形，緩解阻力方面起到了良好的效果。通過實證可以看出，軟巖、動壓和深井巷道，在巷道控制方式上已經走上了前沿階段，但是也是比較難以控制的技術，對于技術層面的要求比較高，如果在控制上欠缺火候，很容易“引火燒身”，造成反面效果。

2.4 聯合支護技術

對于一些動壓影響大的巷道，特別是受動壓影響的采準巷道，僅僅使用一種支護方式很難控制住巷道的變形破壞，在這種情況下，大多采用聯合支護技術，有錨噴+注漿＋錨索、錨桿＋網＋錨索、U型棚＋錨桿等等。聯合支護方式一般支護費用較高。

如果巷道受到動壓影響較大，并且是采準巷道一類，就很難用單獨的支護進行阻隔發生的變形，而采用聯合支護方式，可以通過錨噴、注漿和錨索共同作用的情況下，有效保護巷道，減少變形方面的破壞，但是相對來講，所消耗的成本也會比較大。

3 動壓巷道注漿加固數值模擬

3.1 幾何模型

把該模型的寬度和高度分別定位102 m和72.4 m，間隔距離設置為46 m，石門底板的巖層保持30 m的厚度，加上38.4 m厚的頂板巖層，這樣一個模型基本就出來了，另外，想要讓模擬結果更精確些，可以再保持和巷道間23 m的距離。具體可以看圖1。載荷可以用來取代上覆巖層在模型中展示。

圖1 模型的幾何圖形

數值模型的建立分三步走：第一步，保證原始地的應力條件不發生改變，這就要求在通過一定的計算分析平衡載荷和地層應力的數值；第二步，將支護結構放置在石門中，保持原本的平衡性；第三步，用注漿的方法以及架起保護棚的方式向西一石門提供支持。

3.2 力學參數

基于已經設計好的分析模型，為體現注漿加固后的效果，將已經注漿的加固圈的圍巖參數進行一定的調整，來統計不同數值后的效果情況，具體的參數可參照表1。

表1 注漿加固后的巖體力學參數

3.3 數值模擬結果分析

圖2是無注漿和注漿形態下的對比，圖標上可以體現圍巖的各方向應力、塑性屈服分步和位移等特征。注漿模擬結果見表2。

圖2 圍巖塑性屈服分布特征

表2 注漿模擬結果

基于巷道的圍巖塑性涉及的范圍，結合之后的塑性屈服的范圍數值，能夠看出如果采用擴刷架U29型的支護，結合注漿技術（往壁后深淺孔），對塑性屈服范圍的減少有促進作用。破碎的圍巖在注漿作用的保護下，能夠保持相對穩固的作用力，同時也會對巷道的提供支持。U型棚和注漿兩種方法的加持，會產生更牢固的支撐力，增加了兩幫以及頂板處的穩定性，同時也擴充了底板的塑性區。

從圖2-2中看出，U型棚與注漿相結合提供給巷道方面的應力更大，表明巷道中的圍巖在實施加固的措施之前，已經達到了相對穩定的屈服深度，這時再利用注漿的方法，進一步的穩定了破碎的巖體。

通過圖3中看出，沒有經過注漿的地方發生了比較明顯的變形，而在注漿的部位變形已經受到阻力。石門底板位置相對于頂板和兩幫的位置，產生了更多的變形。通過比對明顯可以看出想要控制好石門底鼓，可以對兩幫和頂板的位置進行加固。

圖3 注漿加固范圍