王 贊

（潞安礦業(yè)集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103）

1 項(xiàng)目概況

余吾煤業(yè)公司南軌大巷埋深+400 m，圍巖較破碎，巷道在原有錨桿錨索支護(hù)時(shí)，表現(xiàn)出四周來壓、整體收斂、變形強(qiáng)烈的特點(diǎn)，頂板冒落較嚴(yán)重，并有少量片幫現(xiàn)象，錨桿錨索出現(xiàn)了拉伸斷裂現(xiàn)象。針對以上問題，本文結(jié)合該巷的地質(zhì)資料，利用注漿支護(hù)原理對原有支護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，并經(jīng)UDEC數(shù)值模擬軟件對原有方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了模擬分析，現(xiàn)場實(shí)測表明：錨注支護(hù)可有效解決該類巷道破碎圍巖的支護(hù)難題，具有一定借鑒意義。

2 工程概況

余吾煤業(yè)+400水平南軌大巷地表位于屯留縣余吾鎮(zhèn)境內(nèi)，梁峁發(fā)育溝谷縱橫，多呈“U”字形。埋深600 m左右。設(shè)計(jì)全長1 121 m，整體位于15號煤往下30 m位置，采用直墻半圓拱形巷道掘進(jìn)，巷道斷面5.84 mm×5.02 mm。據(jù)地質(zhì)資料知：掘進(jìn)中，巷道依次穿越砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、泥巖、直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚約5 m，裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低。老頂為砂巖，厚約4.6 m。直接底為9 m厚的砂質(zhì)泥巖。在具體施工中，由于褶皺構(gòu)造，巷道圍巖巖性不一，存在多處變形嚴(yán)重的破碎區(qū)域（其上部為石灰?guī)r，下部為鋁土巖），圍巖巖性為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)地軟弱，遇水膨脹，且節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)多處滲水、滴水，圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，兩幫支撐能力差，底鼓嚴(yán)重，最大底鼓量500 mm左右，且半圓拱頂有掉塊、塌落現(xiàn)象。

3 注漿加固機(jī)理分析

針對余吾煤業(yè)+400水平南軌大巷出現(xiàn)的支護(hù)失效現(xiàn)象，據(jù)地質(zhì)資料可知：由于地質(zhì)構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，多處滲水、滴水，圍巖破碎較嚴(yán)重，原支護(hù)方案采用錨桿錨索，在圍巖周圍缺乏穩(wěn)定的有效著力點(diǎn)，是圍巖失穩(wěn)的主要因素。對此采用注漿作為支護(hù)的第一步，將圍巖中的裂隙膠合在一起，使破碎圍巖固結(jié)成整體，還可起到一定阻水效果，減少水對圍巖的軟化、侵蝕作用。然后利用錨桿錨索支護(hù)固結(jié)在巷道深部穩(wěn)定巖層中，形成大范圍的錨固結(jié)構(gòu)，從而保證巷道穩(wěn)定。針對上述深埋巷道過破碎帶的特點(diǎn)，支護(hù)應(yīng)從提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和整體性入手。對于節(jié)理裂隙較發(fā)育的軟巖，注漿方法可提高整體強(qiáng)度和變形模量，改善圍巖變形和力學(xué)參數(shù)（如粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等）。通過注漿可將巖體裂隙面有效地膠合在一起，增強(qiáng)巖體完整性和巖體強(qiáng)度，減少地下水涌入通道，改善圍巖水理環(huán)境和錨桿錨固條件，更有利于發(fā)揮圍巖自身承載能力。

3.1 注漿加固作用機(jī)理分析

注漿加固作用主要表現(xiàn)：①提高圍巖的整體強(qiáng)度和變形模量，改善圍巖變形形態(tài)和力學(xué)參數(shù)（如粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等）。②網(wǎng)狀骨架作用：破碎圍巖通過注漿固結(jié)反應(yīng)，形成類似網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，具有良好的韌性和粘結(jié)性。隨著圍巖所受應(yīng)力的增加，該結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形（但不會輕易破壞），將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深處，變形破壞也不會由原來裂隙面開始、而是整體變形，從而保證巷道的整體穩(wěn)定性。③充填壓密及改變圍巖的破壞機(jī)理：漿液在注漿壓力作用下將宏觀裂隙充分填充，并使部分微觀裂隙得到壓縮，降低圍巖孔隙率，提高圍巖的彈性模量及強(qiáng)度。當(dāng)裂隙中充滿固結(jié)材料時(shí)，圍巖受力會由二向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力。應(yīng)力狀態(tài)顯著增加，巖體脆性減弱、塑性增強(qiáng)，從而改變破壞機(jī)理。

3.2 錨注支護(hù)數(shù)值模擬研究

1）模型的建立∶根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場觀測，選取典型地質(zhì)斷面，建立數(shù)值模型，通過各類圍巖試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定各巖層、結(jié)構(gòu)面參數(shù)（如表1和表2所示）。模型長度為100 m，高度80 m，模型底邊界和左右邊界采用零位移邊界，上邊界承受垂直應(yīng)力，邊界載荷按埋深400 m計(jì)算，(2.5 MPa×4=10 MPa)。模擬本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型，節(jié)理材料模型采用面接觸庫侖滑移模型。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

2）模擬方案：針對南軌道巷破碎區(qū)域進(jìn)行UDEC數(shù)值模擬，分析各具體方案的，圍巖變形及塑性區(qū)范圍、錨桿受力及失效情況。方案一為原支護(hù)方案（錨桿錨索支護(hù)）；方案二為優(yōu)化支護(hù)方案（注漿+錨索錨桿）。3）結(jié)果分析：①支護(hù)方案一時(shí)（見圖1），巷道頂板破碎嚴(yán)重，兩幫均有不同程度的片幫現(xiàn)象，底板稍有突起，錨桿錨索發(fā)生扭曲錯(cuò)斷變形，總的來說，巷道發(fā)生擠壓性變形破壞較嚴(yán)重，方案一不能滿足安全掘進(jìn)要求，錨桿錨索支護(hù)不能保證巷道圍巖的穩(wěn)定。支護(hù)方案二時(shí)（見圖2），巷道頂?shù)准皟蓭途鶝]有出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，采用注漿支護(hù)，可將破碎圍巖固結(jié)成一個(gè)整體，錨桿錨索又可充分調(diào)用圍巖的自穩(wěn)能力，進(jìn)而保證圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果明顯。②圖3-6為其垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力圖，由圖可知：垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力在巷道圍巖中由表面至巖體深部均呈現(xiàn)一直增大的特征，最小垂直應(yīng)力與最小水平應(yīng)力都分布在巷道圍巖表面附近。方案一相比方案二，巷道垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力在巷道周邊較低，因?yàn)樵谙锏理敯寮皟蓭推扑椴课痪霈F(xiàn)明顯的應(yīng)力釋放區(qū)域，應(yīng)力得到充分釋放，巷道深部圍巖應(yīng)力也逐漸向表面轉(zhuǎn)移。方案一支護(hù)時(shí)，其頂板中央、底板中央、幫部中間部位以及與底板交接處均出現(xiàn)局部垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力加強(qiáng)區(qū)，為易發(fā)生變形破壞的部位。方案二支護(hù)時(shí)，注漿將圍巖固結(jié)在一起，再利用錨桿錨索的強(qiáng)有力支護(hù)，增強(qiáng)巷道周邊垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力，表明巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性，能很好起到承載圍巖的作用，圍巖最大垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均向巷道深部轉(zhuǎn)移，不易形成圍巖破碎。

圖1 方案一巷道變形破壞示意圖

圖2 方案二巷道變形破壞示意圖

圖3 方案一垂直應(yīng)力示意圖

圖4 方案一水平應(yīng)力示意圖

圖5 方案二垂直應(yīng)力示意圖

圖6 方案二水平應(yīng)力示意圖

4 最終支護(hù)方案的確定

4.1 注漿參數(shù)的確定

1）注漿孔深度。合理注漿孔深度要滿足等于或大于巷道圍巖松動圈的厚度，通常條件下，圍巖松動圈厚度可用多點(diǎn)位移計(jì)測??；從理論計(jì)算角度考慮，圍巖松動圈的厚度也可用修正后的芬納公式計(jì)算：

式中：P為地應(yīng)力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，°；C為巖石粘結(jié)力，MPa；r為巷道半徑，m；Ps為支護(hù)反力（注漿時(shí)Ps=0）。由于巷道所受壓力P為10 MPa，內(nèi)摩擦角φ取42°。粘結(jié)力C取8 MPa，半徑r取2.92 m。代入公式，R=2.942 7。按注漿加固厚度大于松動圈半徑，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，選取注漿孔合理深度為5 m。

2）注漿壓力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及工程實(shí)際，注漿壓力由下式確定

式中∶K為注漿段的壓力系數(shù)，MPa/m；深度小于200 m時(shí)，K=0.023～0.021，深度為 200～300 m時(shí)，K=0.021～0.020，深度為300～400 m時(shí)，K=0.020～0.018。對深度400 m的巷道，K可取0.018；R0為注漿孔有效長度，m。P0=0.018×5=0.09 MPa。注漿過程中，由于破碎圍巖常對注漿材料產(chǎn)生一定的阻力。若注漿材料要順利進(jìn)入深部破碎圍巖內(nèi)，在注漿過程中需重點(diǎn)考慮注漿壓力的大小。通常情況下，理論計(jì)算的壓力往往偏小，為保證注漿具有較大的影響范圍，注漿需用較高壓力。通過分析現(xiàn)場實(shí)際及結(jié)合相關(guān)注漿壓力理論，注漿壓力選取2 MPa。

3）注漿最大影響半徑?？梢罁?jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：P0為注漿孔口的有效壓力，2 MPa；bm為裂隙張開度，5×10-4m；τ0為注漿液動切力，4 Pa；ρ為漿液密度，1 600 kg/m3；α 為裂隙等效傾向，45°；k為修正系數(shù)，0.2～0.5；θ為漿液擴(kuò)散方向，45°。代入上式得rmax為1.5 m。

4）注漿量。為保證注漿效果理想，要盡量滿足相鄰注漿孔注漿范圍的重疊，以達(dá)到改善圍巖整體力學(xué)特性的效果，每個(gè)注漿孔的注漿量需滿足一定的要求。即在注漿時(shí)，注漿需達(dá)到孔不再吃漿為止，故有：

式中：Q為每個(gè)孔注漿注入量，m3；r為漿液有效擴(kuò)散半徑，1.5 m；n為巖石孔隙率，n＜1取 4%；L為注漿孔總深度，5 m；α為有效充填系數(shù)，α＜1取90%；β為漿液耗散系數(shù)，β＞1取1.3。則Q=1.65 m3.

5）注漿孔布置∶巷道圍巖注漿孔的布置形式，對注漿效果的好壞影響較大。合理布置注漿孔的形式需滿足∶①注漿孔能吸收較多的注漿量；②注漿后，漿液擴(kuò)散半徑較大，基本能對巷道周圍所有破碎圍巖起到一定的封閉加固作用；③注漿后的漿液能較均勻地分布與巷道圍巖中。根據(jù)潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司南軌大巷實(shí)際情況，對巷道采取注漿加固支護(hù)方法，注漿孔排距3 m，孔深5 m，間距1 m，注漿有效擴(kuò)散半徑1.5 m。

4.2 支護(hù)效果監(jiān)測

通過上述分析與模擬，為驗(yàn)證“注漿+錨索錨桿”聯(lián)合支護(hù)的實(shí)際效果，在南軌大巷掘進(jìn)面破碎帶附近實(shí)施該聯(lián)合支護(hù)方案，每隔20 m布置1個(gè)礦壓觀測站，共布置3個(gè)測站，觀測巷道表面位移及錨固力隨掘進(jìn)推移的而變化。見圖7-10。

從圖看出，采用優(yōu)化后的支護(hù)，巷道變形基本穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平?27 mm，兩幫最大移近量113 mm，說明頂?shù)装寮皟蓭蛶r體的整體性和穩(wěn)定性較好,得到明顯控制；錨桿錨索受力也較均衡，錨索受力穩(wěn)定在200 kN左右，錨桿受力也穩(wěn)定在70 kN，均達(dá)設(shè)計(jì)要求，表明注漿配合錨網(wǎng)支護(hù)既加固了圍巖，又發(fā)揮了錨索錨桿的錨固作用，形成有效的組合拱結(jié)構(gòu)，巷道壓力顯現(xiàn)不明顯,頂幫支護(hù)完好；觀測結(jié)果表明巷道收斂明顯變小，圍巖穩(wěn)定性增加，該優(yōu)化方案取得良好支護(hù)效果，支護(hù)參數(shù)也較合理。

圖7 巷道頂?shù)装遄冃瘟繄D

圖8 巷道兩幫板變形量圖

圖9 錨索受力情況監(jiān)測圖

圖10 錨桿受力情況監(jiān)測圖

5 結(jié)論

①針對破碎圍巖支護(hù)難題，采用注漿支護(hù)，可明顯改善圍巖變形形態(tài)及其力學(xué)性質(zhì)，在破碎圍巖中形成良好韌性和粘度的骨架結(jié)構(gòu)；注漿在充填壓密裂隙的同時(shí)，常會改變圍巖受力，并會改變破壞機(jī)理。②通過UDEC數(shù)值模擬分析，原方案變形破壞特征與巷道實(shí)際變形破壞特征相符，可說明模擬參數(shù)的選取合理性，保證了錨注支護(hù)方案模擬結(jié)果與實(shí)際相符。③通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：破碎圍巖支護(hù)難題，采用注漿作為支護(hù)第一步，可有效提高圍巖的完整性，改善圍巖受力狀態(tài)，并為錨桿錨索提供穩(wěn)定的有效著力點(diǎn)，保證了巷道支護(hù)的長期穩(wěn)定。④對于圍巖較破碎的巷道，采用注漿+錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，可有效控制圍巖頂?shù)滓平考皟蓭褪諗苛?，巷道支護(hù)效果理想，可為今后類似巷道支護(hù)借鑒。

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