松软破碎带中巷道围岩注浆加固参数研究

王 开,田取珍,张小强

(太原理工大学矿业工程学院,太原030024)

软岩经1984年及1986年两次国际岩石力学会议后定义为：“强度低,孔隙率大,胶结程度差,受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层以及流变性能及高地应力影响的岩层[1-2]”。而破碎带则是指地层受地应力作用后形成的碎裂区域。二者相结合所形成的松软破碎带地层使位于其中的巷道支护变得复杂化。位于松软破碎带岩层中的巷道其松动圈范围一般较大。经过大量试验研究、理论分析及现场实测,认为松动圈的“碎胀变形”是巷道收敛变形的主要原因,支护的主要对象是松动圈形成过程中的“碎胀变形”,松动圈越大,则围岩变形量越大,巷道支护越困难[3]。

传统的锚杆、锚索支护已不能有效地解决松软破碎带中巷道的支护问题,必须通过改善巷道围岩特性、提高围岩自承能力来解决类似条件下的巷道支护问题。通过对巷道围岩破碎区域的注浆加固补强,改变围岩的力学特性,可以取得较好的支护效果。近年来,国内外学者对渗透注浆进行了广泛而深入的研究,得到了浆液在裂隙中的渗透规律[4],得出了浆液流量[5-12]、注浆压力[8-9]、渗流速度、注浆时间和浆液扩散半径等[10-12]之间的关系。

刘嘉材利用牛顿模型推导出了浆液沿裂隙面径向流动的扩散方程[13];Baker假设注浆孔横穿宽度为δ的单一光滑裂隙,通过图解法得出了浆液在裂隙中的渗透规律[14]。但上述研究均未涉及注浆的深度及其合理范围,也未涉及松动圈的范围与注浆的关系。作者认为：正是由于松动圈的存在,才使得巷道支护成为必需;注浆改善围岩特性也正是针对松动圈内松动破碎围岩的加固和补强。本文以阳泉固庄煤矿为例,通过理论分析、FLAC3D数值模拟和现场实测等方法,对该矿15号煤层巷道松软破碎围岩的注浆参数进行了研究。

1 地质概况

固庄煤矿15号煤层巷道特定围岩条件：巷道埋深280 m,煤层厚度7.0 m,煤质较为酥软,顶板岩层为碳质页岩和砂质页岩,底板为碳质泥岩、泥岩。由于受褶皱构造影响,巷道围岩较破碎,抗拉、压强度较低,巷道开掘后容易冒顶。采用一般的锚杆、锚索组合加悬吊的支护方式后效果较差。巷道断面为矩形,规格尺寸为3 600 mm×2 600 mm(宽×高)。根据该矿煤层赋存条件和围岩力学性质,现场实测和理论计算得出该矩形巷道塑性松动圈半径呈不均匀分布,在巷道上角部位松动圈半径达2.56 m,两帮的松动圈半径达2.16 m,均属于大松动圈[15]。

2 巷道围岩注浆加固参数研究

破碎带中巷道围岩注浆的目的是改善巷道围岩的力学性能,提高围岩的自承载能力,以使注浆后的巷道围岩在其服务期间内能够满足煤矿安全生产要求。如前所述,在注浆压力、注浆流量、注浆时间以及浆液的扩散半径等方面已有的研究成果可供参考,这里主要研究注浆的深度和注浆孔之间的间距。为了缩短浆液的初凝时间和提高浆液的初期强度,工程上通常在水泥浆液中添加一定量的水玻璃。结合孔隙大小及水泥粒径,根据工程经验,选用525号普通硅酸盐水泥和浓度为45 mol/m3的水玻璃[16]。

在注浆设计中要强调两个基本原则：其一是不发生浆体压力对围岩造成劈裂;其二是在不发生浆力劈裂和超过扩散半径的前提下尽可能提高注浆压力。在我国的煤矿巷道注浆工程中,一般采用的注浆压力为1～3 MPa。固庄煤矿的现场测试表明：当注浆压力超过2.5MPa时,部分地段的围岩开始渗漏浆液。图1为现场测试注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系图,试验确定该矿采用的注浆终孔压力为2 MPa。

图1 注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系图

我国煤矿巷道围岩注浆时的浆液扩散半径R值通常在1～2.5 m之间,在上述注浆材料及给定注浆压力(2 MPa)的条件下,经理论计算和现场实测得到该巷道围岩的注浆扩散半径为2.16 m。

在给定注浆材料、给定注浆压力及保证扩散半径的条件下,对不同水灰比(0.7,0.8,1.0)与不同注浆深度(2.6 m,2 m)相配合的6种条件下的围岩稳定性情况进行了数值模拟,主要研究不同条件下围岩屈服破坏范围和围岩应力分布状态。

2.1 巷道围岩未注浆前的数值模拟

图2为巷道围岩未注浆前的屈服破坏图,从图中可以看出：巷道顶角处屈服破坏区域较大,约2.6 m,与理论计算的2.56 m基本吻合;而两帮的屈服破坏区域从图中看出大约2 m,与理论计算的2.2 m也基本吻合。图3为巷道围岩未注浆前的垂直应力云图,从图中可以看出,图中浅色区域分布范围大,最大应力约8.7 MPa。巷道围岩变形严重,破坏区域大,巷道顶角及两帮不同程度地已经受到剪切和拉伸破坏,将造成巷帮片帮和冒顶,顶底板受只拉伸破坏,破坏区域较小。

图2 未注浆前巷道围岩屈服破坏(塑性区)分布图

图3 未注浆前巷道围岩垂直应力云图

2.2 采用2.6 m注浆深度下不同水灰比模拟比较

图4 —图9为注浆深度为2.6 m时不同水灰比的围岩屈服破坏(塑性区)分布图和应力云图。从图

图5 水灰比0.7时应力云图

图4 水灰比0.7时巷道围岩屈服破坏(塑性区)图

图6 水灰比0.8时巷道围岩屈服破坏(塑性区)图

图7 水灰比0.8时应力云图

图8 水灰比1.0时巷道围岩屈服破坏(塑性区)图

图9 水灰比1.0时应力云图

中可以看出注浆后围岩塑性破坏区域范围明显缩小,特别是巷道顶角,巷道围岩塑性区域明显控制在1.6m以内。0.7水灰比条件下的巷道顶角处的屈服破坏区域明显较大,0.8水灰比条件下与1.0水灰比条件下的屈服破坏区域基本相同。从应力云图中得知,注浆后围岩强度提高,塑性破坏区域变小,围岩的应力集中,0.7水灰比条件下的最大应力区域较小,应力值约10.667 MPa,0.8水灰比条件下的最大应力区域较大,应力值约11.172 MPa,1.0水灰比条件下的最大应力区域最大,应力值约11.566 MPa。通过上述分析,注浆深度为2.6 m、水灰比为0.8∶1时巷道围岩稳定性最好。

2.3 采用2.0 m注浆深度条件下的数值模拟

图10 水灰比0.8时巷道围岩屈服破坏(塑性区)图

图11 水灰比0.8时应力云图

图10 ,11为注浆深度2.0 m时,水灰比为0.8巷道围岩屈服破坏(塑性区)图及其应力云图,与图6,7相比可以看出,巷道围岩顶板的屈服破坏区域出现间断,也即在2.0 m注浆深度的情况下,注浆区域与非松动区域之间仍存在松动带,依然会出现顶板离层或冒落。造成此种现象的主要原因是由于巷道顶角上部有0.6 m的塑性区未注浆,在巷道顶角上方出现约0.6 m的塑性屈服破坏带,但位于注浆带内巷道围岩塑性区域仍控制在1.6 m内。经数模拟得知,0.8水灰比、注浆深度为2.0 m条件下的最大应力值约10.377 MPa,0.8水灰比、注浆深度为2.6 m条件下最大应力值约11.172 MPa,应力值相差不大。由此可以确定,注浆深度应等于或大松动圈的半径。即：h≥D.h为注浆深度,m;D为巷道松动圈的半径,m。

2.4 注浆孔的间距

注浆的目的是使巷道围岩得以加固,在巷道周边形成一个整体的力学承压结构。因此,除注浆深度外,注浆孔的间距对该承压结构的承载性能和质量起着至关重要的作用。由图1可知,注浆压力与浆液的扩散半径基本成正比,也即注浆压力越高其扩散半径也越大。为使两孔之间的碎裂区域中注入的浆液充分交汇,在给定的注浆压力条件下,注浆孔之间的间距应小于或等于2倍的浆液扩散半径,即：B≤2d.B为注浆孔的间距,m;d为浆液的扩散半径,m。

3 结论

处于松软破碎带的巷道围岩较松散破碎,围岩松动圈半径较大,通过对阳泉固庄煤矿15号煤层巷道围岩注浆试验和相关参数的数值模拟,可以得出如下结论：

1)注浆的深度应大于或等于巷道围岩松动圈的半径,使注浆后的加固结构体与非松动圈形成整体的承载结构,否则顶板会产生离层甚至垮落现象。

2)注浆孔之间的间距应小于或等于2倍的浆液扩散半径,使得孔间破碎区内浆液能够充分交汇重合,形成完整的结构圈体。

3)经数值模拟分析,得出阳泉固庄煤矿条件下水灰比为0.8∶1,注浆深度为2.6 m时巷道围岩稳定性最好。该矿采用该方案后,巷道支护的各项技术指标均达到了预期的目标,取得了良好的技术效果。

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