朱世奎，丁 可

（1.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

在井下巷道掘進(jìn)過程中，由于地下水與巷道圍巖中巖石礦物產(chǎn)生物理、化學(xué)作用，在富水巖層，巖石遇水浸泡后強(qiáng)度不斷衰減，圍巖承載力也隨之降低，容易引起巷道內(nèi)圍巖的變形[1-4]。特別是在軟巖巷道中，膨脹性軟巖吸水并造成大面積變形，支護(hù)難度較大，對煤礦開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅[5-9]。張農(nóng)等[10-11]以巖石全應(yīng)力-應(yīng)變加載過程為基礎(chǔ)，對地下水影響不同巷道巖石裂隙漸次開發(fā)的過程進(jìn)行了分析；Chen等[12]探討了水浸弱化巖石的力學(xué)特性；周翠英等[13]則對富水軟巖的軟化作用進(jìn)行了研究；劉長武等[14]針對富水巷道圍巖泥化的機(jī)制進(jìn)行了分析；馮志強(qiáng)和康紅普等[15]發(fā)明了1種有機(jī)材料對富水巷道圍巖進(jìn)行了支護(hù)；Gao和Xu[16-17]采用錨網(wǎng)索噴的支護(hù)方式對富水巷道進(jìn)行支護(hù)研究；李桂臣等[11]根據(jù)富水巷道圍巖破壞特征，提出了富水巷道重點(diǎn)強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)；Zeng等[18-19]針對富水軟巖巷道特點(diǎn)，對巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了修正；吳智明等[20-21]則從預(yù)防巷道冒頂?shù)慕嵌?，針對富水巷道頂板圍巖強(qiáng)度降低的特征，提出了普通錨桿支護(hù)+錨注的巷道支護(hù)方案，效果顯著。上述研究表明，地下水對巖石有一定的弱化作用，采用錨注支護(hù)方式進(jìn)行富水巷道支護(hù)可以有效控制巷道圍巖變形，但是，對于錨注支護(hù)參數(shù)的選擇以及巷道注漿加固范圍沒有明確的依據(jù)，容易出現(xiàn)支護(hù)過度或支護(hù)不足的情況，造成支護(hù)材料的浪費(fèi)或支護(hù)效果不達(dá)標(biāo)的問題。為此，以桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山為研究對象，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，基于注漿加固圈厚度對富水巷道的錨注支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳錨注支護(hù)方案，對今后礦井此類富水巷道的錨注支護(hù)參數(shù)選擇提供了一定的依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山，位于Ⅱ1采區(qū)，10#煤層頂板巖層中，地面標(biāo)高為23.2～26.8 m，巷道標(biāo)高-581.8～-799.2 m，巷道上有Ⅱ1001工作面，北為零采區(qū)軌道石門，南現(xiàn)無采掘活動。巷道是在10#煤層頂板施工，巖層傾角17°～22°，巷道傾斜長818 m，在施工中以細(xì)沙巖和粉砂巖為主，局部為泥巖。巷道所在巖層及相鄰巖層之間層序關(guān)系如圖1。

圖1 桃園礦Ⅱ1邊界上山綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram ofⅡ1 boundary roadway in Taoyuan Mine

1.2 原支護(hù)

桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山掘進(jìn)期間受地下水影響，巷道圍巖強(qiáng)度弱化。其主要充水因素為砂巖裂隙水，涌水方式主要為淋、滲水。

桃園礦Ⅱ1邊界上山原支護(hù)情況如圖2。巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)采用2次錨網(wǎng)噴支護(hù)。即一次支護(hù)為錨網(wǎng)噴支護(hù)，全斷面掛網(wǎng)，錨桿型號為GM22/2400-490型錨桿，間排距800 mm×800 mm，底腳錨桿沿底板布置，水溝錨桿沿水溝底布置。二次支護(hù)為錨帶網(wǎng)噴支護(hù)，全斷面掛網(wǎng)，錨桿型號為GM22/3000－490，間排距800 mm×800 mm；鋼帶型號GDM200/3600，排距800 mm。

圖2 桃園礦Ⅱ1邊界上山原支護(hù)情況Fig.2 Original support structure diagram ofⅡ1 boundary roadway in Taoyuan Mine

在Ⅱ1采區(qū)邊界上山采用原支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)加固時(shí)，由于地下水影響，出現(xiàn)了支護(hù)施工困難，頂板下沉、底鼓和錨網(wǎng)開裂嚴(yán)重的情況，影響長期穩(wěn)定和安全性。因此，現(xiàn)場采用錨注支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定，但現(xiàn)場對于錨桿－錨注協(xié)調(diào)支護(hù)機(jī)理認(rèn)識不足，導(dǎo)致錨注支護(hù)參數(shù)選取上缺乏可靠理論依據(jù)，不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場支護(hù)設(shè)計(jì)。因此，需要對錨桿－錨注協(xié)調(diào)支護(hù)機(jī)理進(jìn)行分析研究，保證巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工作面經(jīng)濟(jì)、安全、高效生產(chǎn)。

采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的研究手段，揭示錨桿-錨注協(xié)調(diào)支護(hù)機(jī)理，基于注漿加固圈厚度分析，最終確定錨注支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證圍巖控制效果。

2 基于注漿加固圈厚度的錨注支護(hù)分析

以桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山為工程背景，結(jié)合錨桿、錨注協(xié)同支護(hù)原理，從載荷方面確定注漿加固圈厚度，進(jìn)而確定錨注支護(hù)參數(shù)。

考慮錨桿、錨注支護(hù)方式不同，分析錨注加固機(jī)理，如圖3。注漿錨桿注漿后將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成整體，可以提高巖體的黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高巖體強(qiáng)度，可以使圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，使加固范圍內(nèi)破碎巖體形成1個(gè)整體，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。隨著加固圈厚度的增大，注漿擴(kuò)散加固拱所提升巖體強(qiáng)度的范圍越大，承載載荷的能力也越大。

圖3 錨注加固支護(hù)機(jī)理示意圖Fig.3 Schematic diagram of bolt grouting reinforcement mechanism

因此，在進(jìn)行錨注支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)注漿加固厚度，對注漿擴(kuò)散加固拱的整體承載能力進(jìn)行判斷，進(jìn)而對錨注支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。故根據(jù)加固圈受力狀況建立力學(xué)模型如圖4。

加固圈內(nèi)徑向應(yīng)力σr與周向應(yīng)力σθ表達(dá)式[22]為：

式中：pa為錨桿錨固提供應(yīng)力；pb為圍巖載荷；ra為等效巷道半徑；rb為注漿加固圈支護(hù)外徑。

巷道遇水浸泡后圍巖巖體較為松散破碎，以Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則fg為判斷依據(jù)，準(zhǔn)則判據(jù)表達(dá)式[23]如下：

式中：σci為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a為材料參數(shù)。

將式（1）與式（2）聯(lián)立可得：

fg會隨著注漿加固圈厚度增加而減小，為避免加固圈出現(xiàn)破壞，則fg＜0，而當(dāng)圍巖應(yīng)力、錨桿錨固力、注漿材料等參數(shù)一定，通過式（3）則可以得出強(qiáng)度準(zhǔn)則fg＝0時(shí)的加固圈厚度，基于此結(jié)合桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山的支護(hù)情況對錨注支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山水淹后地質(zhì)條件，參數(shù)選取如下。

等效巷道半徑ra＝2.0 m；錨桿錨固力pa＝15 MPa；圍巖載荷pb＝18.5 MPa；完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σci＝20.7 MPa；材料參數(shù)mb＝2.64；材料參數(shù)s＝1；材料參數(shù)a＝2。計(jì)算得到注漿加固圈支護(hù)外徑rb＝3.5 m。

注漿加固圈厚度h為：

計(jì)算得到注漿加固圈厚度為1.51 m，取1.5 m。結(jié)合桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山支護(hù)情況，按照注漿加固圈厚度為1.5 m進(jìn)行巷道錨注支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

3 錨注支護(hù)方案模擬驗(yàn)證

3.1 模擬模型和模擬方案

1）模擬模型。以桃園礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山巷道為基礎(chǔ)，建立數(shù)值模型，模型本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖模型。計(jì)算模型如圖5，模型尺寸為50 m×40 m×30 m（長×寬×高），巷道附近網(wǎng)格加密。煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。錨桿采用cable單元，錨桿錨固力學(xué)參數(shù)見表2。巷道布置11根普通錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 Calculation model

表1 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters for calculation model

表2 錨桿錨固力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of roof bolts

2）模擬方案。主要研究基于注漿加固圈厚度的錨注支護(hù)方案設(shè)計(jì)問題。注漿加固圈厚度劃分0.5、1.0、1.5、2.0 m 4個(gè)水平。通過改變注漿錨桿間距實(shí)現(xiàn)對于漿液擴(kuò)散范圍的控制，具體方案見表3。

表3 錨注支護(hù)模擬方案Table 3 Simulation scheme of bolt grouting support

3.2 模擬結(jié)果

通過模擬得出各方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖6。

由圖6可知，隨著注漿加固圈厚度的增加，巷道變形收斂時(shí)圍巖新產(chǎn)生塑性區(qū)范圍逐漸減小，由圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，圍巖注漿加固圈厚度為0.5 m，加固圈厚度較小，注漿加固后沒有在巷道周圍產(chǎn)生連續(xù)的加固圈，注漿無法將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成為整體，無法在巷道表面形成組合拱結(jié)構(gòu)，對巷道破裂圍巖產(chǎn)生的加固作用十分有限，巷道圍巖的承載能力較弱，導(dǎo)致注漿后巷道圍巖塑性區(qū)繼續(xù)向深部發(fā)展，巷道變形破壞嚴(yán)重。

相比圖6（a），圖6（b）中圍巖注漿加固圈厚度為1.0 m，由于注漿加固圈厚度的增加，注漿加固圈可以將淺部破碎圍巖膠結(jié)成為1個(gè)整體，在巷道周圍形成1圈較薄的注漿加固圈，隔絕空氣，防止浸水后圍巖進(jìn)一步風(fēng)化而降低圍巖強(qiáng)度，但由于加固圈厚度太薄，其承載能力有限，不能有效阻止遇水浸泡后巷道圍巖的進(jìn)一步變形破壞，注漿后隨著巷道圍巖的進(jìn)一步變形，注漿加固圈承載載荷逐漸增加，當(dāng)承載載荷超過薄加固圈的強(qiáng)度，加固圈發(fā)生破壞，巷道圍巖塑性區(qū)向深部擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道最終變形破壞依然很嚴(yán)重。

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.6 Plasticity distribution of roadway surrounding rock

相比圖6（a）、圖6（b），圖6（c）中注漿加固圈半徑達(dá)到1.5 m，注漿后巷道圍巖基本沒有再產(chǎn)生新的塑性區(qū)，漿液將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成整體，注漿加固圈承載載荷始終未達(dá)到其破壞強(qiáng)度，巷道變形得到有效地控制。

而相比圖6（a）、圖6（b），圖6（d）中注漿后巷道圍巖基本沒有再產(chǎn)生新的塑性區(qū)，巷道變形也得到了有效地控制，與圖6（c）中塑性區(qū)分布情況相似。

不同方案下巷道圍巖位移如圖7。綜合以上4組模擬結(jié)果，同時(shí)結(jié)合不同方案下巷道圍巖位移變化，可以發(fā)現(xiàn)，隨著注漿加固圈厚度的增加，巷道頂板、兩幫及底板變形都逐漸減??；且巷道注漿加固圈厚度大于1.5 m時(shí)，巷道變形隨注漿加固圈厚度的增加不再有明顯的變化。因此，在錨注支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)保證注漿加固后能在巷道周圍形成不小于1.5 m厚的注漿加固圈，綜合考慮支護(hù)效果和注漿漿液擴(kuò)散，建議選用方案3進(jìn)行桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山錨注支護(hù)。

圖7 不同方案下巷道圍巖位移Fig.7 Surrounding rock displacement of roadway under different schemes

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)

巷道斷面具體支護(hù)參數(shù)如圖8。

圖8 巷道支護(hù)參數(shù)Fig.8 Roadway support parameters

據(jù)以上分析，在巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，確定了桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山錨注支護(hù)參數(shù)，具體為：注漿錨桿采用中空螺紋鋼注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，注漿錨桿的直徑為25 mm，長度為2 500 mm，錨桿注漿孔直徑為6 mm；頂板布置4根注漿錨桿，間排距為1 400 mm×1 600 mm，兩幫各布置2根注漿錨桿，底板布置3根注漿錨桿，其中底角錨桿距底板200 mm，并與水平方向成30°角斜打。

而注漿材料采用普通硅酸鹽水泥加添加劑，水泥選用淮北礦業(yè)集團(tuán)水泥廠生產(chǎn)的PC32.5水泥。為了增加水泥漿液的和易性、流動性、微膨脹性，提高水泥漿液的結(jié)石率和錨注巖體的強(qiáng)度，采用ACZ-1型水泥添加劑，用量為水泥質(zhì)量的4%～6%，漿液水灰比為0.7∶1～1∶1，單孔注漿時(shí)間取為3～5 min，注漿壓力根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力為2.0～3.0 MPa，最大注漿壓力為3.0 MPa。

4.2 圍巖控制效果

為驗(yàn)證圍巖控制效果，在桃園煤礦Ⅱ1采區(qū)邊界上山中布置測站，對頂?shù)装逡平窟M(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測及探測，頂?shù)装逡平勘O(jiān)測曲線如圖9。

圖9 頂?shù)装逡平勘O(jiān)測曲線Fig.9 Monitoring curves of displacement between roofand floor

掘進(jìn)期間巷道兩幫及頂?shù)装逡平侩S掘進(jìn)時(shí)間增加，距掘進(jìn)工作面距離增大，巷道兩幫及頂?shù)装逡平恐饾u增大，最終趨于穩(wěn)定。

頂?shù)装逦灰屏拷?jīng)過了急劇升高段和趨于穩(wěn)定段，穩(wěn)定段位于支護(hù)后35 d，巷道頂?shù)装逡平俣冗_(dá)到4.3 mm/d，巷道兩幫移近速度達(dá)到3.0 mm/d；巷道進(jìn)入變形穩(wěn)定階段，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在140～160 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100～110 mm。

5 結(jié)語

1）現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在錨桿支護(hù)方式中，地下水對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，采用普通錨桿支護(hù)不能有效控制富水巷道圍巖變形，需要進(jìn)行錨注支護(hù)。

2）基于注漿加固圈厚度進(jìn)行分析，得到注漿加固圈厚度與注漿加固體承載能力的關(guān)系式，最終確定注漿錨桿布置方式，頂板布置4根注漿錨桿，兩幫各布置2根注漿錨桿，底板布置3根注漿錨桿。

3）現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采用確定的錨注支護(hù)方案后，支護(hù)作用得到充分發(fā)揮，巷道完整性大大提高，圍巖變形得到有效控制。