深部软岩巷道注浆扩散规律的数值模拟研究*

2021-01-06周凯军肖帅军尹勇勤

煤矿现代化 2021年1期

周凯军，肖帅军，尹勇勤

（郑州煤炭工业(集团)有限责任公司裴沟煤矿，河南新密 452382）

1 研究背景概况

随着近二十年超强度开采，我国很多华北型矿区浅部资源已基本开采完毕，生产重心逐步转移到中深部延伸开采范围[1-2]。在深部延伸掘采中，受地应力影响，巷道围岩受次生应力影响更大，围岩稳定性变差，特别是软岩巷道给维护工作带来更大麻烦和困难[3-5]。目前为止巷道支护手段有很多类型，其中对软岩巷道而言，注浆加锚网索耦合支护技术是一种很不错的选择[6-8]。注浆加固效果好的话则能够较为显著的提高巷道围岩的抗破坏和变形能力，然而影响注浆加固效果的因素很多，主要有围岩类型、地应力、断面尺寸和形状、注浆压力和浆液配比等，特别是随着深部延伸掘采，引起了众多学者对深部软岩巷道注浆加固方面的研究[9-11]。综合对比分析发现，关于软岩巷道破碎岩体注浆扩散规律相对研究偏少，主要采用模型试验对注浆参数进行了探讨[12-13]。裴沟煤矿42 采区是矿井深部延伸预开采的接续采区，目前正处于开拓阶段。论文研究的对象是42 采区轨道下山，该位置实际埋深530～600m 左右。试验段内巷道岩性以泥岩为主，普氏系数为2-4，围岩强度较软，在支护后巷道很容易发生较大变形。这条巷道埋深较深，且受到滑动构造的影响，是典型的软岩破碎巷道。该巷道已开拓成型段较大部分都发生了严重的变形，给维修也带来了很大麻烦，严重影响了42 采区的正常运输。为此，本文以软顶、软煤层和软底的“三软”煤层裴沟煤矿深部42 采区掘进巷道为背景，应用数值模拟方法探究围岩注浆扩散规律，为地质条件类似巷道注浆加固提供参考。

2 浆液体扩散规律数值模拟

2.1 数值模型的建立

根据该采区的地质概况和实测的围岩松动圈结果建立数值计算模型[14]，注浆过程中浆液扩散属于单个巷道模型，考虑是软岩巷道，模型尺寸宽度和高度是巷道半径的10 倍。建立模型长宽高分别为100×40×40m，横断面如图1 所示。

考虑现场软岩又破碎的实际条件，结合数值模拟的易操作性，本次共建立了25 种不同的水灰比和注浆压力值单液水泥浆模型，具体组合方式见表1。

本次数值分析的过程中仅仅只分析单根注浆锚杆的情况，注浆锚杆注浆段长度1000mm，直径20mm，注浆段离巷道围岩表面600mm。

2.2 浆液在围岩中的扩散形态

浆液在裂隙岩体中的实际扩散形态相当复杂[9]，很难在实际中按需求实行控制，由此通过数值模拟计算对其扩散形态进行研究。在不发生劈裂时，浆液是类似于脉管在岩体裂隙通道中扩散[15-16]。图2 为4MPa注浆压力时，水灰比在0.7∶1 及1∶1 两种条件下，其在岩体裂隙中的分布状态。浆液以注浆孔为中心向四周扩散，浆液流量也逐渐减少。

图2 不同水灰比下浆液在围岩中的分布

2.3 数值计算结果及分析

浆液扩散半径是决定注浆工程量和工程进度的重要因素，扩散半径可用一些理论公式进行估算，但理论公式计算需要的参数太多而且结果不准确，因此一般通过试验确定[17-19]。本次计算针对42 采区轨道石门围岩状况（见图1），通过数值模拟对不同注浆压力和水灰比其浆液切向和径向方向扩散半径进行研究，具体结果如图3 所示。

图3 注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系

由图3 可知，巷道围岩注浆过程中浆液扩散有以下一些特点：

1）水灰比、注浆压力和巷道切向、径向浆液扩散半径呈正相关关系。

2）研究表明影响浆液扩散半径显著的因素排序为：注浆压力＞水灰。1MPa 注浆压力时，当水灰比为0.7，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为0.9m、0.4m，当水灰比为0.8 时，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为1.2m、1m；当水灰比0.7 时，注浆压力升高到2MPa，巷道径向、切向浆液扩散半径分别为1.4m、1.2m。保持1MPa 注浆压力时，水灰比从0.7 变化到0.8 时，巷道径向、切向浆液扩散半径增长幅度分别为33.3%、150%；保持水灰比0.7 时，注浆压力从1Mpa变化到2MPa，巷道径向、切向浆液扩散半径增长幅度分别为55.6%、200%。可知，影响浆液扩散半径显著的因素排序为：注浆压力＞水灰。

3）研究发现注浆压力变化为两个阶段。第一阶段，当注浆压力1～3MPa 阶段中，浆液扩散半径：径向＞切向，但相差不是很大；第二阶段，当注浆压力3～5MPa 阶段中，切向的浆液扩散半径突增，最终浆液扩散半径变为：切向＞径向。

4）当注浆压力从1MPa 变化到3MPa 时，随着注浆压力的增大，浆液扩散半径的增大较明显；当注浆压力在从3 Mpa 变化到5MPa 时，随着注浆压力的增大，浆液扩散半径的增大较弱；随着注浆压力的增大，巷道切向方向上浆液扩散半径的增长幅度始终大于巷道径向方向上的浆液扩散半径。

图4 分别为径向和切向两个方向在相同水灰比情况下注浆压力在巷道围岩中的数值模拟衰减曲线。由图4 可知，在不同注浆压力、水灰比情况下，注浆压力在围岩中的衰减曲趋势相似。由于浆液水灰比的减小，注浆压力的分布并不呈线性的函数关系递减。而随着水灰比的减小，衰减的速度也在增加。

图4 水灰比0.8 巷道注浆压力衰减曲线

在巷道围岩径向方向上，注浆压力由围岩表面向深部衰减速度逐渐减慢（图4（a））；而切向方向上，其衰减规律与径向方向上基本一致（图4（b）），这说明在巷道切向方向上，在注浆压力的作用下，重力对注浆压力衰减、浆液扩散的影响可能不大。

3 注浆后效果检验

根据42 轨道下山地质及掘进条件，结合数值模拟结果进行了注浆加锚网索耦合支护技术对围岩巷道进行了支护，支护好的地段开始对巷道变形情况进行监测，布置了5 个监测点，通过近一年的连续监测，顶底板累计移近量约65mm，两帮累计移近量约62mm。限于篇幅，这里以1#站监测点为例（图5），从表面位移变化可以看出，支护后近六个月两帮和顶底板变形方趋于稳定，这一特征也反映了高应力软岩巷道变形持续时间长的特点。且发现顶底板的表面位移变化和两帮的在总体趋势上具有一致性，都可以分成三个阶段，第一阶段从开始到160d，第二阶段从160d到310d，第三阶段从310d 到360d，第一和第三阶段顶底板的表面位移均大于两帮的。由此可见，注浆后长期矿山压力作用下顶底板的反映比较大。