李洪蛟

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司礦用材料分院；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

注漿加固技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，在圍巖相對破碎區(qū)域?qū)嵤┳{加固，有助于改善圍巖的支撐能力，確保現(xiàn)場安全［1-3］。注漿加固技術(shù)能夠順利實(shí)施的前提是注漿孔可以通過裂隙等將漿液擴(kuò)散至圍巖內(nèi)部。注漿孔施工完畢后，圍巖充滿裂隙才能為漿液的流動創(chuàng)造空間，否則，漿液會沿著注漿孔流出，無法達(dá)到內(nèi)部加固的目的。在外力的作用較小時，注漿孔之間的圍巖是相對封閉的，不會產(chǎn)生互相影響，但當(dāng)外力的作用較大時，不同注漿孔會產(chǎn)生相互影響，這種影響是一把雙刃劍，一方面要求注漿孔圍巖具有裂隙，為漿液流動創(chuàng)造條件，另一個方面，過多的連通即是對圍巖的一種損傷。因此，研究注漿孔圍巖塑性區(qū)（破壞）的連通機(jī)制是必要的，其為注漿加固技術(shù)的實(shí)施提供了重要理論基礎(chǔ)，也為現(xiàn)場注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

正常情況下，若圍巖所受應(yīng)力場較小，其內(nèi)部破碎程度亦較小，此種情形下，無需注漿加固。但當(dāng)圍巖所受應(yīng)力場較為異常時，如高應(yīng)力或偏應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)常導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)較多內(nèi)部裂隙，此時通常采用強(qiáng)支護(hù)或者注漿加固技術(shù)。但實(shí)際上，在異常應(yīng)力場作用下，注漿孔洞之間是互相影響的，這種影響是注漿技術(shù)能夠成功的關(guān)鍵要素之一［4-6］。本研究首先分析不同偏應(yīng)力條件下單個注漿孔圍巖塑性區(qū)形態(tài)，然后分析高偏應(yīng)力條件下多個注漿孔圍巖塑性區(qū)連通機(jī)制，為高偏應(yīng)力作用下注漿孔圍巖加固技術(shù)提供支撐。

1 不同偏應(yīng)力條件下單個注漿孔圍巖塑性區(qū)形態(tài)

1.1 力學(xué)模型

為研究不同偏應(yīng)力條件下單個注漿孔圍巖塑性區(qū)形態(tài)，建立力學(xué)模型，見圖1。模型為典型的平面應(yīng)變問題，平面方向上，模型為200 m 的正方形，垂直方向上，深度為1 m。在模型中心設(shè)置1 個圓形注漿孔洞，固定模型位移邊界條件，假設(shè)模型所受最大主應(yīng)力（外力）為P1，最小主應(yīng)力（外力）為P3。在外力的作用下，模型中任一單元體的破壞采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行判定，當(dāng)超過單元體的屈服極限時，認(rèn)為單元體塑性化。雖然以塑性化代表破壞存在一定的誤差，但可以用于揭示圍巖破壞機(jī)制。

1.2 理論計(jì)算結(jié)果

孔洞周邊每個單元體的應(yīng)力狀態(tài)及塑性破壞條件可以采用文獻(xiàn)［7-8］中的公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)該隱性公式，可以得到單個孔洞周邊的塑性區(qū)分布形態(tài)，借助Python程序可以獲得孔洞周邊圍巖塑性區(qū)邊界，進(jìn)而得到不同偏應(yīng)力場下孔洞周邊塑性區(qū)形態(tài)理論計(jì)算結(jié)果，見圖2。偏應(yīng)力值不同時，塑性區(qū)呈現(xiàn)出了不同的形態(tài)。當(dāng)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值為1 時，模型所受外力是均勻的，塑性區(qū)呈現(xiàn)圓形形態(tài)；當(dāng)比值為1.5 時，模型所受外力是不均勻的，在最大主應(yīng)力方向會呈現(xiàn)更多的塑性單元，從而呈現(xiàn)橢圓形；當(dāng)比值為2.5 時，模型所受外力的不均勻程度加大，在最大主應(yīng)力方向呈現(xiàn)的塑性單元變的更多，但是垂直方向增加程度小于兩翼方向，從而呈現(xiàn)出“蝶形”狀態(tài)；當(dāng)比值為2.75 時，模型所受外力的不均勻程度持續(xù)加大，塑性區(qū)由“蝶形”狀態(tài)向“后蝶形”演變。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果

按照理論計(jì)算過程施加計(jì)算條件，數(shù)值模擬結(jié)果同樣呈現(xiàn)出了類似的規(guī)律，見圖3。綜上所述，理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，不同偏應(yīng)力條件下單個注漿孔圍巖塑性區(qū)形態(tài)不同，隨著偏應(yīng)力場程度的增大，經(jīng)歷了從圓形到橢圓形，到“蝶形”，再到“后蝶形”的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，圓形和橢圓形塑性區(qū)條件下，孔洞之間的連通是相對困難的，但蝶形和后蝶形條件下，塑性區(qū)的擴(kuò)展通常達(dá)到了孔洞半徑的幾十倍，甚至上百倍，為孔洞之間的相互連通創(chuàng)造了條件。

2 高偏應(yīng)力條件下多個注漿孔圍巖塑性區(qū)連通機(jī)制

2.1 圍巖塑性區(qū)與主應(yīng)力分布狀態(tài)關(guān)系

受超前支承壓力影響，回采工作面前方經(jīng)常出現(xiàn)高偏應(yīng)力場的情形，這種情況可能是由最小主應(yīng)力的減小、最大主應(yīng)力的增大或者兩者因素疊加的結(jié)果?；夭晒ぷ髅媲胺揭欢ǚ秶鷥?nèi)，最大主應(yīng)力可達(dá)最小主應(yīng)力的2～6倍（甚至更高），該高偏應(yīng)力場條件經(jīng)常造成回采工作面前方煤體破碎程度較高，因此，本文以介質(zhì)中存在多個鉆孔的模型作為研究對象，得到其在高偏應(yīng)力場條件下塑性區(qū)擴(kuò)展形態(tài)及主應(yīng)力分布狀態(tài)。

2.2 多個注漿孔圍巖塑性區(qū)連通的數(shù)值模擬分析

仍然采用摩爾-庫侖判定準(zhǔn)則，固定位移邊界條件，建立宏觀模型后，單獨(dú)取出部分鉆孔進(jìn)行分析，得到了高偏應(yīng)力場條件下不同注漿孔的FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，見圖4。在高偏應(yīng)力場作用下，孔洞周邊出現(xiàn)了明顯的剪切和拉伸破壞，每個孔洞周邊均呈現(xiàn)出了蝶形的破壞區(qū)域，而且受孔洞間距影響，蝶形塑性區(qū)的“葉片”出現(xiàn)了相連的情況，此時采用注漿加固技術(shù)，漿液的流動及加固效果將更加明顯。從注漿孔平面應(yīng)力分布來看，應(yīng)力也呈現(xiàn)出互相疊加影響的形態(tài)。越往孔洞深部，應(yīng)力值越大，說明深部的貫通程度更高。

從以上的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，高偏應(yīng)力條件下多個注漿孔圍巖塑性區(qū)均呈現(xiàn)為“蝶形”或者“后蝶形”，由于“蝶葉”的擴(kuò)展范圍更廣，導(dǎo)致了多個注漿孔的塑性區(qū)出現(xiàn)了連通，將有助于漿液的擴(kuò)散，提升加固效果。

3 高偏應(yīng)力作用下注漿孔圍巖加固技術(shù)實(shí)踐研究

以上述注漿孔塑性區(qū)連通機(jī)制為指導(dǎo)，在河北省某煤礦回采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場工程實(shí)踐。該回采工作面受超前支承壓力影響較大，預(yù)計(jì)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值可以達(dá)到5 以上。鉆孔淺部裂隙分布較少，深部裂隙出現(xiàn)了蝶形連通，使用封孔器將淺部與深部隔離開，通過注射管將漿液注入深部區(qū)域，借助注射花管將蝶形連通擴(kuò)展至整個深部區(qū)域，形成有效連通區(qū)，提高注漿加固效果。注漿鉆孔布置平、斷面圖見圖5，鉆孔深度為4～6 m，角度為45°～60°，孔間距為3～4 m，根據(jù)工作面的頂板情況及煤體裂隙發(fā)育情況，選擇高分子化學(xué)加固材料進(jìn)行注漿加固，注漿壓力2～4 MPa。達(dá)到注漿壓力出現(xiàn)大面積漏漿或者注漿量達(dá)到1 000 kg 時，終止注漿，大面積漏漿停注后原位補(bǔ)打鉆孔進(jìn)行補(bǔ)注。

在現(xiàn)場進(jìn)行了注漿加固測試，將注漿段與非注漿段的巷道表面移近量進(jìn)行對比，結(jié)果顯示：非注漿段巷道頂?shù)装逡平科骄禐?00 mm，而注漿段范圍內(nèi)頂?shù)装迤骄平繛?50 mm，說明注漿后巷道圍巖得到了一定的控制，加固效果良好，順利完成了初期安全回采。

4 結(jié)語

（1）隨著偏應(yīng)力場程度的不斷加大，單個注漿孔圍巖塑性區(qū)的形態(tài)呈現(xiàn)出由圓形變?yōu)闄E圓形，再變?yōu)椤暗巍?，最后變?yōu)椤昂蟮巍钡囊?guī)律。

（2）高偏應(yīng)力條件下多個注漿孔圍巖塑性區(qū)均呈現(xiàn)為“蝶形”或者“后蝶形”，“蝶形”的“蝶葉”可能為鉆孔直徑的幾十上百倍，為多個注漿孔的塑性區(qū)的連通創(chuàng)造了條件，將更加有助于漿液的擴(kuò)散。

（3）以注漿孔塑性區(qū)連通機(jī)制為指導(dǎo)，在河北省某煤礦回采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場工程實(shí)施。使用封孔器將淺部與深部隔離開，通過注射管將漿液注入深部區(qū)域，借助注射花管將蝶形連通擴(kuò)展至整個深部區(qū)域，形成有效連通區(qū)，提高了注漿加固效果。