深井巷道圍巖滯后注漿加固的合理時間

常聚才， 謝廣祥

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

深井巷道圍巖滯后注漿加固的合理時間

常聚才， 謝廣祥

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

合理滯后注漿時間的確定是深井巷道圍巖加固支護技術(shù)的關(guān)鍵，在分析深井巷道最佳支護時間原理的基礎(chǔ)上，以望峰崗礦－817 m水平巷道為研究背景，通過現(xiàn)場實測及UDEC數(shù)值模擬對巷道掘進后圍巖變形及裂隙發(fā)育特征進行深入研究，獲得了深井巷道圍巖滯后注漿加固的合理時間。結(jié)果表明，注漿加固應(yīng)在巷道劇烈變形階段后的緩慢變形階段初期，在巷道圍巖裂隙發(fā)育相對穩(wěn)定時，合理時間為巷道掘進后15～20 d。工程實踐表明，合理時間的滯后注漿有效地控制了深井巷道圍巖穩(wěn)定性。

深井;巖巷;滯后注漿;合理時間

0 引言

研究表明注漿能將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高巖體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，從而提高巖體的強度［1－3］。錨網(wǎng)索及圍巖滯后注漿加固支護技術(shù)已成為深井巷道首選的圍巖控制措施，巷道掘進后多長時間開始注漿，決定著注漿加固成效。工程實踐表明，新掘巷道除破碎帶外，不宜掘后幾天內(nèi)就注漿加固。因為巷道開掘后應(yīng)力重新分布，釋放應(yīng)力產(chǎn)生裂隙，如果過早注漿，一方面，由于圍巖中尚未形成足夠大的裂隙，難以注入漿液;另一方面，由于應(yīng)力釋放和變形地持續(xù)，新裂隙不斷形成，導(dǎo)致結(jié)石強度尚低的已注漿加固巖體破壞，造成支護失敗。如果過晚注漿，由于喪失最佳支護時機，致使圍巖變形過大而整體失穩(wěn)［4－6］。因此，選擇合適的滯后注漿時間是以最小支護成本取得最大支護效果的重要因素之一，有必要進行深入分析。

1 最佳支護時間原理

相同的支護結(jié)構(gòu)在不同支護時間下對巷道進行支護，其圍巖與支護體的應(yīng)力－位移曲線如圖1所示。巷道開挖后，圍巖雖然發(fā)生少量的變形但仍有很強的自承能力，如圖1a所示緊跟掘進頭進行永久支護，圍巖的高應(yīng)力全部由支護體承擔(dān)，沒有進行讓壓或放壓過程，既極大提高了對支護結(jié)構(gòu)剛度和強度的要求，又不能充分利用和調(diào)動圍巖的自承能力。對支護體要求的提高不僅意味著成本的大幅增加，也意味著設(shè)計、施工難度的大幅增加。圖1b支護滯后掘進面一定距離，允許了在適當(dāng)條件下圍巖發(fā)生一定的變形，以達到釋放部分應(yīng)力的目的。但是，滯后掘進面的距離過大會使得在未加固支護的情況下(圖1c)，圍巖發(fā)生無法控制的大變形，甚至破碎、塌落，完全喪失圍巖的強度和自承能力，圍巖的自重全部作為荷載加到支護體上，大于設(shè)計要求的應(yīng)力可能導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)的失敗、巷道的完全破壞。

圖1 圍巖與支護體的應(yīng)力－位移曲線Fig.1 Stress-displacement curves between supporting structure and surrounding rock

2 工程背景

望峰崗礦－817 m水平消防材料庫，埋深約850 m。巖層以泥巖、花斑泥巖、鱗狀花斑砂質(zhì)泥巖、細砂巖及粉砂巖為主，巖性較差。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，根據(jù)研究成果采用錨網(wǎng)索及全斷面圍巖滯后注漿措施［7］，斷面尺寸及支護參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道斷面及支護參數(shù)Fig.2 Cross section and supporting parameters of roadway

3 注漿加固合理時間

3.1 現(xiàn)場觀測曲線判斷

最佳二次加固支護時間的力學(xué)含義是:最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動破壞時所對應(yīng)的時間。在現(xiàn)場具體施工中，通過對巷道表面或深部的位移監(jiān)測，可以判定巷道位移變化速率由快到趨于平緩的拐點，以此點附近作為注漿加固支護的最佳時間［8］。

巷道掘進后，安裝多點位移計及錨桿索測力計，實時觀測巷道圍巖變形及錨桿索受力情況。觀測斷面內(nèi)共安設(shè)3個多點位移計(上、下幫，頂板各安設(shè)1個)，包括1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m 8個深基點。圖3為巷道深部圍巖位移s及變形速率v曲線，可以看出，巷道掘出后，其深部圍巖變形移動分為3個階段，即變形移動劇烈階段(15～20 d)、變形移動平緩階段(20～35 d)和變形移動相對穩(wěn)定階段(＞35 d)。在巷道掘進后最初15 d內(nèi)圍巖位移變化劇烈，同時圍巖的移進速率也表現(xiàn)出急劇變化，15～20 d后變形量趨于相對穩(wěn)定。所以，15～20 d這段時間是變化速率由快到趨于平緩的拐點。圖4為巷道錨索、錨桿受力隨巷道掘出時間變化曲線，由于錨索安裝時初期預(yù)緊力小，導(dǎo)致錨索受力較小，可見巷道在掘出15～20 d后，錨桿索受力趨于穩(wěn)定。因此，確定巷道掘出后15～20 d為注漿加固合理時間。

圖3 巷道深部圍巖位移和移進速率變化曲線Fig.3 Displacement and deformation velocity variation curves of deep surrounding rock of roadway

圖4 錨索、錨桿受力變化曲線Fig.4 Force variation curves of anchor cable and bolts

3.2 數(shù)值模擬分析

采用離散單位法(UDEC)研究巷道錨網(wǎng)索支護后周邊圍巖裂隙發(fā)育情況，根據(jù)地質(zhì)條件，建立100 m×100 m的計算模型，如圖5所示。上部邊界為應(yīng)力邊界，施加應(yīng)力為20 MPa;下邊界和左右兩邊為固定邊界。計算采用的巖體力學(xué)模型為應(yīng)變軟化模型，節(jié)理采用的力學(xué)模型為節(jié)理面接觸－庫倫滑移模型。

圖5 數(shù)值計算模型Fig.5 Calculated model of numerical simulation

巷道掘進后，同一斷面不同位置巷道裂隙發(fā)育特征如圖6所示。由圖6可見，巷道開挖后隨著時間的延長，圍巖裂隙逐步發(fā)育;15～20 d圍巖裂隙發(fā)育數(shù)量和范圍急速增大;20～30 d時數(shù)量和范圍相對穩(wěn)定。因此，應(yīng)在裂隙發(fā)育數(shù)量及范圍變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定時進行注漿加固，即巷道掘出后20 d左右。

圖6 巷道不同位置裂隙發(fā)育特征Fig.6 Fissure developing characteristic at different positions of roadway

4 工程實踐

巷道掘出后約20 d，對巷道兩幫及頂板圍巖進行注漿加固。注漿漿液為Po32.5級普通硅酸鹽水泥配制成的單液漿，水灰比為0.7～1.0，注漿孔孔深3.0 m，孔徑φ42 mm，注漿終壓為2～3 MPa，排距3 m(圖7)。

圖7 巷道注漿孔布置Fig.7 Layout of grouting holes of roadway

通過現(xiàn)場觀測，在施工后120 d內(nèi)，巷道兩幫位移量最大僅100 mm，頂?shù)孜灰屏孔畲?20 mm(圖8)，且在較長的時間內(nèi)巷道趨于穩(wěn)定，保證了巷道的正常使用。

圖8 巷道注漿后表面圍巖移進量Fig.8 Surface deformation of roadway after grouting

5 結(jié)論

對于深井軟巖巷道，應(yīng)用錨、網(wǎng)、索支護并滯后注漿加固措施能有效地控制巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，合適的滯后注漿時間決定著巷道加固效果。研究表明，巷道掘出后15～20 d為圍巖裂隙發(fā)育相對穩(wěn)定時間及巷道緩慢變形階段初期，此時進行圍巖注漿加固能有效抑制深井巷道圍巖變形。

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Reasonable time of grouting to reinforce rock roadway surrounding rock in deep coal mine

CHANG Jucai， XIE Guangxiang
(School of Energy＆Safety，Anhui University of Science＆Technology，Huainan 232001，China)

Determination of reasonable time of grouting after bolts-mesh-anchor supporting holds a key to reinforcement effect.Based on analyzing the principle of the optimal supporting time of the roadway in deep coal mine，this paper features the reasonable time of the grouting obtained to reinforce the rock roadway surrounding rock by in-situ measurement and numerical simulation(UDEC).The results show that grouting should occur at the initial stage of slow deformation following rock roadway excavation and at the relatively stable development for fissures.The optimal grouting time is 15－20 days after roadway excavation.The engineering practice prove that grouting at reasonable time is an effective control of the stability of rock roadway surrounding rock in deep coal mine.

deep coal mine;rock roadway;delayed grouting;reasonable time

TD353

A

1671－0118(2011)05－0373－04

2011－09－14

安徽省杰出青年科學(xué)基金項目(1108085J02);安徽省高校省級自然科學(xué)研究重點項目(KJ2010A090);安徽理工大學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新學(xué)術(shù)團隊項目(20091801)

常聚才(1979－)，男，山東省臨沂人，副教授，博士，研究方向:礦山壓力與巷道支護，E-mail:cjcminecoal@163.com。

(編輯王 冬)