深埋巷道围岩的锚注加固研究

杜丹培

(淮南矿业集团物资供销分公司,安徽 淮南 232001)

深埋巷道围岩的锚注加固研究

杜丹培

(淮南矿业集团物资供销分公司,安徽 淮南 232001)

采用 FLAC3D对深埋巷道进行数值模拟,分析了锚注加固对巷道围岩的应力和变形分布,以及塑性区范围的影响;结果表明,锚注加固显著的提高了围岩的力学性能和承载能力。

FLAC3D;锚注加固;巷道围岩

1 巷道围岩注浆加固机理

深埋巷道开挖后,在高地应力作用下,围岩变形较大,出现冒顶、底臌和侧胀等现象,形成松动圈,松动圈内的岩体破碎,裂隙发育,极大地影响了巷道的稳定性。采用锚注加固技术,可以改善围岩结构,是提高围岩整体性与自承载能力,以及提高支护效果的有效方法。

1.1 注浆提高巷道围岩破裂岩体的强度和变形模量

深埋巷道围岩,其强度和变形主要由破裂岩体弱面控制,因破裂岩体的强度及弹性模量均较低,所以巷道围岩变形量大,维护困难。浆液固结体的强度一般比围岩要低,但浆液具有粘结性质,可显著提高岩体的强度和刚度,材料的塑性变形增大,当载荷较大时,固结体发生变形但不破坏,载荷由固结体和强度较高的围岩共同承担,限制了围岩裂隙不断破裂发展的趋势。不连续面强度和变形模量等力学性能的改善大大提高了岩体的强度,从而提高了围岩的承载能力,改善围岩维护状况。

1.2 充填压密裂隙

注浆时浆液在泵压的作用下,渗透充填一些裂隙,另外经挤压可以使一些填不到的裂隙闭合,提高围岩的强度。降低岩体的裂隙率可大幅度提高岩体的强度。当岩体内存在裂隙时,在承载时会在裂隙的端部形成拉应力集中,当拉应力达到岩体抗拉强度时,岩体的裂隙会发展,直到岩体破裂。注浆加固后浆液在较高的泵压作用下,将围岩内的裂隙充满固结或压密原来的小裂隙,使裂隙端部的应力大大减弱,从而使巷道围岩的破坏机制发生转变,并可以由原来拉伸破坏转变为压缩破坏。

另外,当围岩中存在较大的裂隙,裂隙附近的岩体处于二向应力状态,裂隙内充满加固材料或压密后,将变为三向应力状态,而岩体在三向应力状态时的强度比二向应力状态时显著增大,并且脆性减弱塑性增强。

2 注浆加固围岩的数值模拟分析

根据淮南矿业集团朱集矿-906水平深部巷道的生产及地质条件,建立 FLAC3D数值模型,模拟范围为长×宽=60 m×60 m。模型采用的应力边界条件为:模型的上表面施加均匀的垂直压应力,模型两侧施加随深度变化的水平压应力;位移边界条件为:水平位移固定,下表面垂直位移固定。数值模拟的内容为:采用锚喷网索支护,未考虑注浆作用的情况下,巷道分部开挖下围岩变形的数值模拟;采用锚喷网索和注浆联合支护,研究和对比巷道围岩变形量和巷道周边围岩应力分布情况,对注浆加固围岩的效果进行评价。采用锚喷网索支护,未考虑注浆作用的情况下,巷道分布开挖围岩变形的模拟结果如图1～图6所示。

由于注浆加固技术可以明显的改善围岩质量,提高围岩强度,因此在数值分析中采用增加围岩强度参数的方法来模拟注浆效果,使注浆后围岩变形量和监测位移结果较接近,由此分析注浆对围岩强度的加固作用。模拟结果如图7～图12所示。

3 结果分析

注浆前后岩体参数如表1所示。通过对注浆前后参数变化的比较可知,注浆对岩体力学性能有显著的提高。

表1 注浆前后岩体参数

采用数值模拟方法对注浆加固效果进行分析,其分析结果如下:

3.1 应力分析

由模拟结果可知,在巷道开挖后,巷道直墙部分会承受较大的竖直应力,不注浆时由于围岩强度不足而产生塑性破坏,应力向深部扩展,应力集中范围较大,主要集中在直墙后 2.5～3.0 m深度内,由于巷道围岩破裂区基本在 2.0 m以内,破裂区形成后岩体无法承载较高的应力,使得竖直应力向深部扩展,最大竖直应力达到 39.0 MPa。经过注浆加固的巷道,裂隙被浆液填充,围岩整体稳定性和强度得到明显改善,固结体和深部围岩共同承担荷载,使应力分布更加均匀,从注浆巷道围岩应力分布图上可以看出,采用注浆加固的巷道直墙围岩的承载能力明显上升,且竖直应力分布较为均匀,应力集中情况减弱,向巷道表面转移,基本在1.5～2.0 m之间,最大竖直应力降低到 36.0 MPa。

未注浆和注浆巷道在水平应力分布上表现也有不同,注浆提高顶底板岩体强度,使巷道近表面部分岩体水平应力增加,固结体与深部坚硬岩体均匀承载应力,提高了围岩整体承载能力,最大水平应力值也有所降低,降低幅度在 3.0 MPa左右。

巷道开挖后,由于卸荷作用,在巷道的拱肩处以及墙脚与底板的交界处会出现剪应力集中的现象,是巷道支护的关键部位。巷道注浆使围岩裂隙闭合,岩体由不稳定的二向应力状态转为稳定的三向应力状态,且力学性能得到了很大的改善,减少了剪应力集中程度。由巷道应力分布图可知,未注浆巷道剪应力平均值较大,最大剪应力达到 12.8 MPa,主要集中分布在深部 2.5～3.0 m范围,注浆巷道的剪应力平均值有所变小,其中最大剪应力为11.0 MPa,主要集中分布在 1.5～2 m范围内。

3.2 变形分析

由于对巷道注浆可以极大的改善围岩的性质,因此在注浆范围内岩层的位移值也得到较好的控制。由巷道变形分布图可以知道,未注浆巷道在开挖后,顶板下沉平均为 25.0 cm,水平收敛为28.0 cm,底臌达到 32.0 cm,巷道断面变形较大,巷道在变形过程中,围岩产生破裂,裂隙张开度较大,使得岩体产生二向应力状态,剪应力增加,破裂区向围岩深部扩展,极大的影响巷道的稳定性和正常使用。而采用注浆加固的巷道,可以较大的减少围岩变形量,开挖变形稳定后顶板下沉 8.5 cm,水平收敛7.8 cm,其位移值和围岩位移监测结果比较接近,底臌量为 9.3 cm。可以看出,注浆极大的控制了围岩变形发展,顶板下沉量降低了 66%,水平收敛降低了72%,底臌量降低了 71%。因此,采用注浆加固支护,可以在实现提高岩体强度的同时,限制巷道围岩位移和变形,减小了围岩应力集中程度。

3.3 塑性区分析

由塑性区分布图,巷道注浆提高了围岩强度,减少了塑性区范围。未注浆巷道最大塑性区平均为5.0 m,而注浆巷道最大塑性区在 2.5 m,塑性区半径减少了一半。巷道开挖后,围岩产生破裂,岩体摩擦角和粘聚力降低,破碎岩体粘聚力甚至降低到 0,而采用注浆加固,提高了岩体的粘聚力和摩擦角,强度增加使得岩体多处于弹性变形阶段,塑性区范围变小。

对深埋巷道围岩进行注浆加固,可以起到充填裂隙,减小端部应力集中的作用,并且改变了原来的裂隙扩展破坏机制,提高了围岩的力学参数。

注浆加固可以显著的降低巷道围岩最大竖直应力、水平应力和剪应力,限制了围岩变形,并使塑性区范围得到明显的减少。

[1]王连国.高应力复杂煤层沿空巷道锚注支护数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2009,26(2):145-149.

[2]孟文福.注浆加固技术防治巷道底鼓的机理研究[J].中州煤炭,2009,(3),12-14.

[3]李培良,苗胜军,樊少武.基于变形监测的巷道注浆支护效果评价与分析[J].黄金,2009,30(1),22-25.

[4]李卫东、李功、刘仲明.深井动压巷道岩石注浆加固实验与稳定性控制研究[J].煤,2009,18(6),7-10.

TD353

B

1671-4733(2010)03-0009-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2010.03.04

2010-08-11

杜丹培(1982-),男,江苏徐州人,助理工程师,从事生产技术管理工作,电话:13855419307。