李 晨

（晟泰公司礦山技術(shù)服務(wù)分公司，山西 晉城 048006）

在加固破碎圍巖工程實例中，注漿+錨固技術(shù)聯(lián)合加固，是解決破碎圍巖巷道支護(hù)的有效途徑。在注漿材料的選取中，考慮到綜合成本問題，一般選用水泥漿作為主要漿液，輔以不飽和聚酯化學(xué)漿，能夠解決水泥漿與圍巖粘結(jié)差、滲透難的問題，恢復(fù)碎圍巖的完整性。但在實際注漿過程中，圍巖結(jié)構(gòu)、注漿材料性能、注漿參數(shù)及工藝，都能影響注漿效果，如果參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，可能出現(xiàn)劈裂注漿，進(jìn)一步惡化圍巖破碎[1]。本文主要是在胡底煤業(yè)輔運(yùn)大巷實際圍巖結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，利用離散元程序UDEC數(shù)值模擬軟件，針對注漿壓力、水灰比等因素進(jìn)行研究，最大限度保證注漿效果。

1 工程概況

胡底煤業(yè)開拓巷道布置有5條巖巷，位于3#煤上方20～40m，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖主，層理發(fā)育，埋深約720m，凈煤柱為23～25m。目前1301首采面已經(jīng)進(jìn)入末采階段，停采線距與最近的輔助進(jìn)風(fēng)大巷之間凈煤柱約為89m。五條大巷石門受動壓影響變形大，其中輔運(yùn)大巷變形最為嚴(yán)重，出現(xiàn)混凝土噴層大范圍脫落，局部區(qū)域錨桿、錨索破斷。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，在盡量減小工程量的前提下，采用注漿+錨固聯(lián)合支護(hù)方案。本文根據(jù)確定漿液擴(kuò)散數(shù)值模擬，最終確定注漿參數(shù)。

2 數(shù)值計算模型的建立

根據(jù)輔運(yùn)大巷實際地質(zhì)條件及相鄰巷道、工作面之間的相對位置關(guān)系，采用UDEC建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型，由于輔運(yùn)大巷受相互掘進(jìn)、工作面采動的影響，巷道變形嚴(yán)重。注漿工程一般在巷道變形后進(jìn)行，注漿模型建立也是變形后的[2]。

注漿過程中漿液擴(kuò)散主要受附近采動動壓影響，即1301首采面的影響。根據(jù)采面量順槽的斷面的大小和實際地質(zhì)情況，所建模型大小為200×81.1m，模型塊體大小與巷道松動圈范圍有關(guān)，處于其范圍內(nèi)的塊體體積較小，表明節(jié)理較密，其范圍外的塊體體積較大，表明節(jié)理較稀。純水泥漿液的密度按照下式計算：

式中：ρg為水泥漿的密度；ρc為水泥的密度，通常取為3g/cm3；ρw為水的密度，通常取為1g/cm3；W為水灰比。

根據(jù)單液水泥漿不同水灰比、不同注漿壓力值，本次計算共建立了5種不同水灰比條件下（水灰比分別為 1：1，0.8：1，0.7：1，0.6：1，0.5：1） 的模型。不同水灰比水泥漿的基本性能見表1。

表1 水泥漿液的基本性能

3 注漿參數(shù)的關(guān)系

3.1 注漿壓力、水灰比與擴(kuò)散半徑之間的關(guān)系

擴(kuò)散半徑是決定注漿工程量的重要因素，一般將其分為巷道切向方向、徑向方向兩部分研究。本文采用實驗確定法確定擴(kuò)散半徑參數(shù)。針對輔運(yùn)大巷實際條件，利用UDEC數(shù)值模擬軟件對不同注漿壓力、不同水灰比情況下的擴(kuò)散半徑進(jìn)行了計算[3]，結(jié)果如圖1。

圖1 注漿壓力、水灰比與擴(kuò)散半徑關(guān)系

由圖1可知，在巷道切向、徑向方向，注漿壓力、水灰比與擴(kuò)散半徑的關(guān)系成正比，近似于線性函數(shù)，即注漿壓力或水灰比增大時，擴(kuò)散半徑也隨之變大，只是增長幅度不一致，但注漿壓力對擴(kuò)散半徑的影響程度明顯大于水灰比對擴(kuò)散半徑的影響程度[4]。

在巷道切向、徑向方向，水灰比為0.6：1與0.5：1時，由于漿液稠度大，注漿壓力過小時，漿液無擴(kuò)散能力，故不做考慮。水灰比為0.7：1時，巷道切向、徑向方向擴(kuò)散半徑為0.4、0.9m，注漿壓力從1MPa升到5MPa時，擴(kuò)散半徑達(dá)到2.3m、1.8m，增長幅度為475%，100%。水灰比為0.8：1時，注漿壓力從1MPa升到5MPa，巷道切向、徑向方向擴(kuò)散半徑分別由0.9m、1m增加到 3.6m、2.9m，增長幅度為 300%，190%。水灰比為1：1時，注漿壓力從1MPa升到5MPa，巷道切向、徑向擴(kuò)散半徑分別由1.5m增加到4.5m、3.5，增長幅度為200%、130%。注漿壓力、水灰比對巷道切向擴(kuò)散半徑的影響程度明顯大于巷道徑向擴(kuò)散半徑的影響程度。

表2 擴(kuò)散半徑隨壓力和水灰比增長的幅度

表2表示擴(kuò)散半徑隨注漿壓力、水灰比的增長的幅度。由表2可以看出注漿壓力在4MPa，水灰比由0.7：1變?yōu)?.8：1時，切向半徑在擴(kuò)散半徑由2.3m增加到2.7m，增加幅度為17%，徑向半徑在擴(kuò)散半徑由2m增加到2.4m，增加幅度為20%。注漿壓力在 5Mpa，水灰比由 0.7：1 變?yōu)?0.8：1 時，切向半徑在擴(kuò)散半徑由2.7m增加到3.7m，增加幅度為37%，徑向半徑在擴(kuò)散半徑由2.4m增加到3.3m，增加幅度為38%。結(jié)果表明注漿壓力在4～5 MPa的時候，注漿壓力、水灰比對擴(kuò)散半徑的影響程度在減弱。

3.2 注漿壓力在圍巖中的衰減規(guī)律

圖 2、圖 3 為 1：1、0.5：1 不同水灰比條件下，注漿壓力在巷道圍巖中的衰減曲線。由圖2可知，水灰比一定時，注漿壓力在巷道圍巖中的衰減規(guī)律，不是線性函數(shù)關(guān)系，而是類似拋物線形狀[6]。

在巷道圍巖徑向方向上，當(dāng)注漿段距煤壁距離為0.8～1.2m左右時，注漿壓力最大，達(dá)到峰值，此時擴(kuò)散半徑也最大。隨著注漿段距煤壁距離的縮小，在巷道表面圍巖方向，注漿壓力以較快速度衰減，此時擴(kuò)散半徑也逐漸減小。當(dāng)注漿段距煤壁距離超過1.2m左右時，在巷道深部圍巖方向，注漿壓力、擴(kuò)散半徑以較慢的速度在衰減。距煤壁距離3.5m～5m時，注漿壓力衰減很慢，基本保持不變。

圖2 巷道徑向方向上注漿壓力衰減曲線

圖3 巷道切向方向上注漿壓力衰減曲線

而在巷道切向方向上，當(dāng)注漿段距煤壁距離為2.5m左右時，注漿壓力最大，達(dá)到峰值，此時擴(kuò)散半徑也最大。在注漿段兩側(cè)，即在巷道表面圍巖方向、巷道深部圍巖方向，注漿壓力以相同速度衰減，此時擴(kuò)散半徑也逐漸減小，兩側(cè)衰減規(guī)律大致相同，大約在2.5m范圍內(nèi)衰減為最小值。

結(jié)合上述分析，最終確定注漿參數(shù)：水灰比0.7：1，注漿壓力3～4MPa，此時擴(kuò)散半徑最優(yōu)，既能保證所用材料最省又能確保注漿效果最好。

4 礦壓觀測規(guī)律

4.1 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

從圖4可以看出，采取注漿措施后，淺部圍巖承載能力明顯在增加，圍巖應(yīng)力顯著提高，能夠承載20MPa應(yīng)力。注漿后再進(jìn)行錨注有效傳遞了錨桿（索）施加于圍巖表面的預(yù)應(yīng)力，使深部圍巖應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移，淺部應(yīng)力升高了5～10MPa，深部應(yīng)力降低2～4了MPa，有效阻斷了20m范圍內(nèi)深部圍巖體的破碎變形，顯著改善錨桿（索）對破碎圍巖的支護(hù)作用[7]。

圖4 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

4.2 巷道表面位移觀測

采用十字布點法安設(shè)巷道表面位移監(jiān)測斷面。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@30mm、深400mm的孔，將32mm、長400mm的木樁打入孔中。頂?shù)装?、上下幫木樁端部安設(shè)測釘[8]。對輔運(yùn)大巷不同區(qū)域進(jìn)行表現(xiàn)位移觀測，其變形量如圖5所示。

圖5 支護(hù)方式與圍巖變形的關(guān)系

可以看出，圖中單純錨索支護(hù)，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm，頂板下沉量249mm；在使用注漿的基礎(chǔ)上再進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式以后，巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm、頂板下沉量最大為164mm，與單純錨索支護(hù)相比，兩幫位移量、底鼓量、頂板下沉量最大值分別下降81.7%、72%、36.1%，變形量明顯減小，巷道支護(hù)質(zhì)量明顯提升。

5 結(jié) 論

1）在水灰比和注漿壓力共同作用下，影響擴(kuò)散半徑顯著的因素是注漿壓力，水灰比影響程度略次于注漿壓力；隨著注漿壓力逐漸升高，注漿壓力對擴(kuò)散半徑的影響程度呈下降趨勢，水灰比的影響程度逐漸超過注漿壓力的影響程度。

2）針對高應(yīng)力動壓影響巷道，淺部圍巖破碎嚴(yán)重，首先應(yīng)采用高壓注漿加固技術(shù)，提高淺部圍巖承載能力，深部應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖應(yīng)力能夠達(dá)到20MPa應(yīng)力以上，深部應(yīng)力降低2～4MPa，破碎圍巖形成完整結(jié)構(gòu)體。在此基礎(chǔ)上采取強(qiáng)力錨索支護(hù)能夠充分發(fā)揮錨索與注漿后圍巖的相互作業(yè)，大大改善巷道圍巖性質(zhì)，提高圍巖強(qiáng)度，確保加固后的巷道圍巖穩(wěn)定，巷道圍巖變形量能夠減少60%以上，巷道加固質(zhì)量和效果大幅提高，有效延長了巷道使用時間。