基于注漿加固圈厚度的富水巷道支護參數(shù)優(yōu)化研究

基于注漿加固圈厚度的富水巷道支護參數(shù)優(yōu)化研究

在采礦和狩獵過程中，地下水和道路圍巖中的巖石礦容易受到物理和化學作用。因此，在富水華僑巖石的條件下，巖石的強度不斷降低，圍巖的承載能力也降低，容易引起道路圍巖的變形。1項目總結(jié)1.1項目環(huán)境描述桃園煤礦Ⅱ1.2現(xiàn)場試驗研究桃園煤礦Ⅱ桃園礦Ⅱ在Ⅱ采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究手段，揭示錨桿-錨注協(xié)調(diào)支護機理，基于注漿加固圈厚度分析，最終確定錨注支護參數(shù)，進行現(xiàn)場試驗，驗證圍巖控制效果。2基于注漿擴散加固拱的錨固變形發(fā)展以桃園煤礦Ⅱ考慮錨桿、錨注支護方式不同，分析錨注加固機理，如圖3。注漿錨桿注漿后將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成整體，可以提高巖體的黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高巖體強度，可以使圍巖本身作為支護結(jié)構(gòu)的一部分，使加固范圍內(nèi)破碎巖體形成1個整體，擴大支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。隨著加固圈厚度的增大，注漿擴散加固拱所提升巖體強度的范圍越大，承載載荷的能力也越大。因此，在進行錨注支護設(shè)計時，可以根據(jù)注漿加固厚度，對注漿擴散加固拱的整體承載能力進行判斷，進而對錨注支護參數(shù)進行優(yōu)化。故根據(jù)加固圈受力狀況建立力學模型如圖4。加固圈內(nèi)徑向應(yīng)力σ式中：p巷道遇水浸泡后圍巖巖體較為松散破碎，以Hoek-Brown強度準則f式中：σ將式（1）與式（2）聯(lián)立可得：f結(jié)合桃園煤礦Ⅱ等效巷道半徑r注漿加固圈厚度h為：計算得到注漿加固圈厚度為1.51m，取1.5m。結(jié)合桃園煤礦Ⅱ3錨注入?yún)f(xié)議的模擬驗證3.1加固圈厚度的確定1）模擬模型。以桃園礦Ⅱ2）模擬方案。主要研究基于注漿加固圈厚度的錨注支護方案設(shè)計問題。注漿加固圈厚度劃分0.5、1.0、1.5、2.0m4個水平。通過改變注漿錨桿間距實現(xiàn)對于漿液擴散范圍的控制，具體方案見表3。3.2巷道圍巖注漿加固圈厚度確定應(yīng)用方案通過模擬得出各方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖6。由圖6可知，隨著注漿加固圈厚度的增加，巷道變形收斂時圍巖新產(chǎn)生塑性區(qū)范圍逐漸減小，由圖6(a）可以發(fā)現(xiàn)，圍巖注漿加固圈厚度為0.5m，加固圈厚度較小，注漿加固后沒有在巷道周圍產(chǎn)生連續(xù)的加固圈，注漿無法將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成為整體，無法在巷道表面形成組合拱結(jié)構(gòu)，對巷道破裂圍巖產(chǎn)生的加固作用十分有限，巷道圍巖的承載能力較弱，導(dǎo)致注漿后巷道圍巖塑性區(qū)繼續(xù)向深部發(fā)展，巷道變形破壞嚴重。相比圖6(a），圖6(b）中圍巖注漿加固圈厚度為1.0m，由于注漿加固圈厚度的增加，注漿加固圈可以將淺部破碎圍巖膠結(jié)成為1個整體，在巷道周圍形成1圈較薄的注漿加固圈，隔絕空氣，防止浸水后圍巖進一步風化而降低圍巖強度，但由于加固圈厚度太薄，其承載能力有限，不能有效阻止遇水浸泡后巷道圍巖的進一步變形破壞，注漿后隨著巷道圍巖的進一步變形，注漿加固圈承載載荷逐漸增加，當承載載荷超過薄加固圈的強度，加固圈發(fā)生破壞，巷道圍巖塑性區(qū)向深部擴展，導(dǎo)致巷道最終變形破壞依然很嚴重。相比圖6(a）、圖6(b），圖6(c）中注漿加固圈半徑達到1.5m，注漿后巷道圍巖基本沒有再產(chǎn)生新的塑性區(qū)，漿液將浸水后松散破碎圍巖膠結(jié)成整體，注漿加固圈承載載荷始終未達到其破壞強度，巷道變形得到有效地控制。而相比圖6(a）、圖6(b），圖6(d）中注漿后巷道圍巖基本沒有再產(chǎn)生新的塑性區(qū)，巷道變形也得到了有效地控制，與圖6(c）中塑性區(qū)分布情況相似。不同方案下巷道圍巖位移如圖7。綜合以上4組模擬結(jié)果，同時結(jié)合不同方案下巷道圍巖位移變化，可以發(fā)現(xiàn)，隨著注漿加固圈厚度的增加，巷道頂板、兩幫及底板變形都逐漸減??；且巷道注漿加固圈厚度大于1.5m時，巷道變形隨注漿加固圈厚度的增加不再有明顯的變化。因此，在錨注支護設(shè)計過程中，應(yīng)保證注漿加固后能在巷道周圍形成不小于1.5m厚的注漿加固圈，綜合考慮支護效果和注漿漿液擴散，建議選用方案3進行桃園煤礦Ⅱ4現(xiàn)場應(yīng)用4.1鹽水泥生產(chǎn)設(shè)備巷道斷面具體支護參數(shù)如圖8。據(jù)以上分析，在巷道原支護設(shè)計錨桿一次支護的基礎(chǔ)上，確定了桃園煤礦Ⅱ而注漿材料采用普通硅酸鹽水泥加添加劑，水泥選用淮北礦業(yè)集團水泥廠生產(chǎn)的PC32.5水泥。為了增加水泥漿液的和易性、流動性、微膨脹性，提高水泥漿液的結(jié)石率和錨注巖體的強度，采用ACZ-1型水泥添加劑，用量為水泥質(zhì)量的4%～6%，漿液水灰比為0.7∶1～1∶1，單孔注漿時間取為3～5min，注漿壓力根據(jù)以往經(jīng)驗，注漿壓力為2.0～3.0MPa，最大注漿壓力為3.0MPa。4.2巷道圍巖位移量為驗證圍巖控制效果，在桃園煤礦Ⅱ掘進期間巷道兩幫及頂?shù)装逡平侩S掘進時間增加，距掘進工作面距離增大，巷道兩幫及頂?shù)装逡平恐饾u增大，最終趨于穩(wěn)定。頂?shù)装逦灰屏拷?jīng)過了急劇升高段和趨于穩(wěn)定段，穩(wěn)定段位于支護后35d，巷道頂?shù)装逡平俣冗_到4.3mm/d，巷道兩幫移近速度達到3.0mm/d；巷道進入變形穩(wěn)定階段，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在140～160mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100～110mm。5錨注支護設(shè)計1）現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在錨桿支護方式中，地下水對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，采用普通錨桿支護不能有效控制富水巷道圍巖變形，需要進行錨注支護。2）基于注漿加固圈厚度進行分析，得到注漿加固圈厚度與注