深井巷道围岩滞后注浆加固的合理时间

常聚才， 谢广祥

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

深井巷道围岩滞后注浆加固的合理时间

常聚才， 谢广祥

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

合理滞后注浆时间的确定是深井巷道围岩加固支护技术的关键，在分析深井巷道最佳支护时间原理的基础上，以望峰岗矿－817 m水平巷道为研究背景，通过现场实测及UDEC数值模拟对巷道掘进后围岩变形及裂隙发育特征进行深入研究，获得了深井巷道围岩滞后注浆加固的合理时间。结果表明，注浆加固应在巷道剧烈变形阶段后的缓慢变形阶段初期，在巷道围岩裂隙发育相对稳定时，合理时间为巷道掘进后15～20 d。工程实践表明，合理时间的滞后注浆有效地控制了深井巷道围岩稳定性。

深井;岩巷;滞后注浆;合理时间

0 引言

研究表明注浆能将松散破碎的围岩胶结成整体，提高岩体的黏聚力、内摩擦角和弹性模量，从而提高岩体的强度［1－3］。锚网索及围岩滞后注浆加固支护技术已成为深井巷道首选的围岩控制措施，巷道掘进后多长时间开始注浆，决定着注浆加固成效。工程实践表明，新掘巷道除破碎带外，不宜掘后几天内就注浆加固。因为巷道开掘后应力重新分布，释放应力产生裂隙，如果过早注浆，一方面，由于围岩中尚未形成足够大的裂隙，难以注入浆液;另一方面，由于应力释放和变形地持续，新裂隙不断形成，导致结石强度尚低的已注浆加固岩体破坏，造成支护失败。如果过晚注浆，由于丧失最佳支护时机，致使围岩变形过大而整体失稳［4－6］。因此，选择合适的滞后注浆时间是以最小支护成本取得最大支护效果的重要因素之一，有必要进行深入分析。

1 最佳支护时间原理

相同的支护结构在不同支护时间下对巷道进行支护，其围岩与支护体的应力－位移曲线如图1所示。巷道开挖后，围岩虽然发生少量的变形但仍有很强的自承能力，如图1a所示紧跟掘进头进行永久支护，围岩的高应力全部由支护体承担，没有进行让压或放压过程，既极大提高了对支护结构刚度和强度的要求，又不能充分利用和调动围岩的自承能力。对支护体要求的提高不仅意味着成本的大幅增加，也意味着设计、施工难度的大幅增加。图1b支护滞后掘进面一定距离，允许了在适当条件下围岩发生一定的变形，以达到释放部分应力的目的。但是，滞后掘进面的距离过大会使得在未加固支护的情况下(图1c)，围岩发生无法控制的大变形，甚至破碎、塌落，完全丧失围岩的强度和自承能力，围岩的自重全部作为荷载加到支护体上，大于设计要求的应力可能导致支护结构的失败、巷道的完全破坏。

图1 围岩与支护体的应力－位移曲线Fig.1 Stress-displacement curves between supporting structure and surrounding rock

2 工程背景

望峰岗矿－817 m水平消防材料库，埋深约850 m。岩层以泥岩、花斑泥岩、鳞状花斑砂质泥岩、细砂岩及粉砂岩为主，岩性较差。巷道断面形状为直墙半圆拱，根据研究成果采用锚网索及全断面围岩滞后注浆措施［7］，断面尺寸及支护参数如图2所示。

图2 巷道断面及支护参数Fig.2 Cross section and supporting parameters of roadway

3 注浆加固合理时间

3.1 现场观测曲线判断

最佳二次加固支护时间的力学含义是:最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。在现场具体施工中，通过对巷道表面或深部的位移监测，可以判定巷道位移变化速率由快到趋于平缓的拐点，以此点附近作为注浆加固支护的最佳时间［8］。

巷道掘进后，安装多点位移计及锚杆索测力计，实时观测巷道围岩变形及锚杆索受力情况。观测断面内共安设3个多点位移计(上、下帮，顶板各安设1个)，包括1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m 8个深基点。图3为巷道深部围岩位移s及变形速率v曲线，可以看出，巷道掘出后，其深部围岩变形移动分为3个阶段，即变形移动剧烈阶段(15～20 d)、变形移动平缓阶段(20～35 d)和变形移动相对稳定阶段(＞35 d)。在巷道掘进后最初15 d内围岩位移变化剧烈，同时围岩的移进速率也表现出急剧变化，15～20 d后变形量趋于相对稳定。所以，15～20 d这段时间是变化速率由快到趋于平缓的拐点。图4为巷道锚索、锚杆受力随巷道掘出时间变化曲线，由于锚索安装时初期预紧力小，导致锚索受力较小，可见巷道在掘出15～20 d后，锚杆索受力趋于稳定。因此，确定巷道掘出后15～20 d为注浆加固合理时间。

图3 巷道深部围岩位移和移进速率变化曲线Fig.3 Displacement and deformation velocity variation curves of deep surrounding rock of roadway

图4 锚索、锚杆受力变化曲线Fig.4 Force variation curves of anchor cable and bolts

3.2 数值模拟分析

采用离散单位法(UDEC)研究巷道锚网索支护后周边围岩裂隙发育情况，根据地质条件，建立100 m×100 m的计算模型，如图5所示。上部边界为应力边界，施加应力为20 MPa;下边界和左右两边为固定边界。计算采用的岩体力学模型为应变软化模型，节理采用的力学模型为节理面接触－库伦滑移模型。

图5 数值计算模型Fig.5 Calculated model of numerical simulation

巷道掘进后，同一断面不同位置巷道裂隙发育特征如图6所示。由图6可见，巷道开挖后随着时间的延长，围岩裂隙逐步发育;15～20 d围岩裂隙发育数量和范围急速增大;20～30 d时数量和范围相对稳定。因此，应在裂隙发育数量及范围变为相对稳定时进行注浆加固，即巷道掘出后20 d左右。

图6 巷道不同位置裂隙发育特征Fig.6 Fissure developing characteristic at different positions of roadway

4 工程实践

巷道掘出后约20 d，对巷道两帮及顶板围岩进行注浆加固。注浆浆液为Po32.5级普通硅酸盐水泥配制成的单液浆，水灰比为0.7～1.0，注浆孔孔深3.0 m，孔径φ42 mm，注浆终压为2～3 MPa，排距3 m(图7)。

图7 巷道注浆孔布置Fig.7 Layout of grouting holes of roadway

通过现场观测，在施工后120 d内，巷道两帮位移量最大仅100 mm，顶底位移量最大120 mm(图8)，且在较长的时间内巷道趋于稳定，保证了巷道的正常使用。

图8 巷道注浆后表面围岩移进量Fig.8 Surface deformation of roadway after grouting

5 结论

对于深井软岩巷道，应用锚、网、索支护并滞后注浆加固措施能有效地控制巷道围岩稳定状态，合适的滞后注浆时间决定着巷道加固效果。研究表明，巷道掘出后15～20 d为围岩裂隙发育相对稳定时间及巷道缓慢变形阶段初期，此时进行围岩注浆加固能有效抑制深井巷道围岩变形。

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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

安徽省杰出青年科学基金项目(1108085J02);安徽省高校省级自然科学研究重点项目(KJ2010A090);安徽理工大学优秀创新学术团队项目(20091801)

常聚才(1979－)，男，山东省临沂人，副教授，博士，研究方向:矿山压力与巷道支护，E-mail:cjcminecoal@163.com。

(编辑王 冬)