采动影响下深部巷道注浆加固技术数值模拟研究

叶义勇

（山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪煤矿，山西 太原 030022）

我国的矿井资源相对来说是比较丰富的，但是随着近些年来，相关单位和组织对于我国煤矿井工资源的大力开采，已经出现了部分老矿井资源枯竭的现象。面对这样的情况下，作为主要巷道保护煤柱的煤炭资源成为了人们开始回收的对象。这不仅仅会影响到众多巷道的维护，如果进行大量的开采行动甚至会造成巷道本身的损害。比如原本没有损坏的巷道，表面会受到挤压变形，作为支架作用的支护体系一旦受到破坏，围岩便会出现被挤出的效应，导致巷道整体的平衡性受到严重的影响。想要再去进行修复，需要动用大量的人力、物力和财力，而且修复过程比较繁琐，稍有不慎，便会造成无法挽回的损失，牵一发而动全身导致其他完好的部分受到伤害，最终会影响到整个矿井的开采，同时也会引发安全隐患。

1 巷道概况

西一石门的地质条件如下：标高为-650 m，地面平均标高＋20.8 m，修复预加固范围为西一石门四联至五联，全长300 m，分别揭露16-1、16-2煤；16-2煤厚平均0.8 m，16-2煤顶板依次为细砂岩、泥岩，细砂岩1.3 m，泥岩为灰色，块状，裂隙不发育，含砂质，厚约4.0 m；16-2煤底板为灰-深灰色泥岩，节理、裂隙发育，见滑面，厚约1.5 m。16-1煤厚平均1.0 m，16-1煤顶板为灰～深灰色泥岩，节理、裂隙发育,见滑面，厚约1.5 m。底板为灰色泥岩，整体性差，节理、裂隙发育，破碎，厚约9 m，再下一层为花斑状泥岩，厚度约为14.6 m。该巷道施工中水文地质条件较简单，基本无滴、淋水现象。

2 动压巷道支护技术

动压巷道相较于普通巷道，如果遭受损坏，会发生更加剧烈的变形，而且变形的方式无法预估。维修人员在处理动压巷道的变形时，一般会采用多种支护方式，如锚喷、锚注、锚索、巷道卸压技术和联合支护方式等，对这些支护方式进行整理。

2.1 “壁后充填”和“高阻力可收缩”支护技术

进行巷道的深入发掘和做支护不可避免地在支架与已破碎围岩之间形成不同尺寸的空隙，这样就会影响到巷道受压的均衡能力，让支架的受力环境更加糟糕。往往在修复之前衡量的理论值会远超实际的承载能力。大多数人在面对这种情况时，一般会采用改变支架的型号来让支架的阻力更加强大，但是一味的增加阻力有时候并不能改变局面，反而浪费了材料，还达不到好的支护作用。如果从支架受力的角度分析，用壁后填充技术让支架的承载能力变得更加均衡，壁后填充层和支架形成组合优势，就会更加有效的保证支架的受力条件良好。同时壁后填充能够防水、放防热和防风化。当然，在判断壁后填充层能否平衡支架与围岩之间的压力，改善支架的承载能力，取决于这时的支架是否具备高阻力可收缩的性能。

当支架具备可高阻力时，在围岩发生损坏以及周边发生变形时便可以产生大的阻力将变形延缓，具备好的收缩性又可以让失去平衡性的支架内部减少因为围岩变形而导致的结构破坏，一阻一收缩能够让巷道保持之前的平衡状态。虽然高阻力和可收缩性对于巷道支护技术上能够提供很大的支持，但是从成本上来看，其中耗费的人力、物力和财力会比较高。

2.2 锚注支护技术

目前在巷道和岩土工程上通常会采用锚杆和注浆的方法对围岩进行加固。由于锚杆本身具有独特的力学性能，所以在加固围岩上能够起到不错的效果，但具体效果还是要看性能的优劣，锚杆的有效长度是有限的，在有效长度之内，锚杆可以对围岩变形起到阻力和限制的作用，但是如果锚杆的有效长度达不到围岩的破碎范围，就会失去作用。

2.3 卸压巷道卸压技术

卸压巷道技术能够保护巷道收到外力的挤压，对于环节围岩变形，缓解阻力方面起到了良好的效果。通过实证可以看出，软岩、动压和深井巷道，在巷道控制方式上已经走上了前沿阶段，但是也是比较难以控制的技术，对于技术层面的要求比较高，如果在控制上欠缺火候，很容易“引火烧身”，造成反面效果。

2.4 联合支护技术

对于一些动压影响大的巷道，特别是受动压影响的采准巷道，仅仅使用一种支护方式很难控制住巷道的变形破坏，在这种情况下，大多采用联合支护技术，有锚喷+注浆＋锚索、锚杆＋网＋锚索、U型棚＋锚杆等等。联合支护方式一般支护费用较高。

如果巷道受到动压影响较大，并且是采准巷道一类，就很难用单独的支护进行阻隔发生的变形，而采用联合支护方式，可以通过锚喷、注浆和锚索共同作用的情况下，有效保护巷道，减少变形方面的破坏，但是相对来讲，所消耗的成本也会比较大。

3 动压巷道注浆加固数值模拟

3.1 几何模型

把该模型的宽度和高度分别定位102 m和72.4 m，间隔距离设置为46 m，石门底板的岩层保持30 m的厚度，加上38.4 m厚的顶板岩层，这样一个模型基本就出来了，另外，想要让模拟结果更精确些，可以再保持和巷道间23 m的距离。具体可以看图1。载荷可以用来取代上覆岩层在模型中展示。

图1 模型的几何图形

数值模型的建立分三步走：第一步，保证原始地的应力条件不发生改变，这就要求在通过一定的计算分析平衡载荷和地层应力的数值；第二步，将支护结构放置在石门中，保持原本的平衡性；第三步，用注浆的方法以及架起保护棚的方式向西一石门提供支持。

3.2 力学参数

基于已经设计好的分析模型，为体现注浆加固后的效果，将已经注浆的加固圈的围岩参数进行一定的调整，来统计不同数值后的效果情况，具体的参数可参照表1。

表1 注浆加固后的岩体力学参数

3.3 数值模拟结果分析

图2是无注浆和注浆形态下的对比，图标上可以体现围岩的各方向应力、塑性屈服分步和位移等特征。注浆模拟结果见表2。

图2 围岩塑性屈服分布特征

表2 注浆模拟结果

基于巷道的围岩塑性涉及的范围，结合之后的塑性屈服的范围数值，能够看出如果采用扩刷架U29型的支护，结合注浆技术（往壁后深浅孔），对塑性屈服范围的减少有促进作用。破碎的围岩在注浆作用的保护下，能够保持相对稳固的作用力，同时也会对巷道的提供支持。U型棚和注浆两种方法的加持，会产生更牢固的支撑力，增加了两帮以及顶板处的稳定性，同时也扩充了底板的塑性区。

从图2-2中看出，U型棚与注浆相结合提供给巷道方面的应力更大，表明巷道中的围岩在实施加固的措施之前，已经达到了相对稳定的屈服深度，这时再利用注浆的方法，进一步的稳定了破碎的岩体。

通过图3中看出，没有经过注浆的地方发生了比较明显的变形，而在注浆的部位变形已经受到阻力。石门底板位置相对于顶板和两帮的位置，产生了更多的变形。通过比对明显可以看出想要控制好石门底鼓，可以对两帮和顶板的位置进行加固。

图3 注浆加固范围