深部巷道破碎围岩锚注机制及控制技术研究

摘要

深部巷道实际返修率高达90%以上,尤其软弱破碎围岩巷道控制一直是困扰煤矿安全、高效生产的重大难题之一,在诸如构造应力、强采动影响、断层破碎带等因素影响下,巷道围岩破碎程度高,出现大变形、大松动圈,造成支护失效、冒顶、剧烈底鼓、严重片帮等变形破坏现象,增加了巷道的返修强度与次数,费用远超成巷费用。锚注支护可以从原位上提高围岩自承能力,改善支护构件锚固性能,有效控制围岩变形,越来越多的被深部巷道支护所采用。但是目前锚注支护多以工程类比为主,虽然众多学者针对锚注支护开展大量的研究,但是对破碎岩体的锚注机制研究较少。因此,开展破碎岩体锚注试验及控制效果研究,明确破碎岩体锚注支护机制,可为深部巷道破碎围岩锚注支护设计提供指导,对煤矿安全高效运营具有重要意义,同时也可为交通隧道、水利水电等地下工程破碎岩体支护提供借鉴与参考。本文以巨野矿区千米深井—赵楼煤矿为工程背景,针对高应力、软弱岩层等条件下,开挖后岩体破碎,锚注后岩体的参数获取以及承载特性等研究明显欠缺等问题,以室内和现场试验为主,理论与数值分析为辅的手段,研究深部巷道破碎围岩锚注机制以及控制方法,主要研究工作及成果如下:(1)随钻参数与破碎围岩锚注体力学参数关系研究:研发多功能岩体数字钻探测试系统,由钻进系统、加载系统以及监测控制系统等组成,可施加最大扭矩400 N·m,最大转速为400 r/min,最大推进力50 k N。定义岩石单位切削能ηc,基于SVM建立数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和岩石单位切削能ηc等5个物理参量与岩体UCS的定量关系。系统开展不同水灰比、岩体粒径影响下破碎围岩锚注体数字钻探试验,验证了基于SVM的随钻参数与UCS关系模型,结果表明水灰比对破碎岩体锚注后的强度影响较大,水灰比为0.5和0.6的破碎岩体锚注后强度相近;不同粒径对破碎岩体锚注加固后强度影响较小。(2)破碎围岩锚注体承载特性试验研究:针对破碎岩体锚注工况,制作不同岩体粒径、不同水灰比以及不同锚杆数量的锚注体试件,开展锚注体承载特性系列对比试验,定义锚杆承载贡献率指标,对比分析有无锚杆条件下锚注体裂纹发展规律,明确不同因素影响下锚注体承载机制。(3)不同条件下锚注支护构件锚固性能系列对比试验研究:建立基于剪胀效应的软弱破碎围岩锚固体界面力学模型,推导注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析注浆前后围岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角、剪胀角等力学参数变化对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义注浆锚杆有效加固范围,系统开展注浆前后普通锚杆和高强锚索等支护构件锚固性能系列对比试验,验证理论模型的正确性,明确锚注浆液扩散加固机制。浆液在岩体中的扩散效果不是等距均匀的,整体呈现"下方>边侧>上方"的趋势;浆液扩散效果随着注浆锚杆长度增加存在一个合理长度;高强锚索锚固性能的改善要综合考虑注浆加固以及稳定岩层的贡献大小。适用于赵楼煤矿类似巷道的注浆锚杆长度为2.5 m左右,注浆锚杆间排距为1 200 mm×1 600 mm;高强锚索长度为5~6 m。(4)深部巷道锚注系列对比数值试验研究:考虑支护方案、应力等级、岩体参数等级以及锚注加固强度等因素,设计四大类51种数值对比方案,对比分析围岩位移、塑性区、应力等变化规律,揭示不同因素影响下围岩锚注控制机制。随着注浆加固范围的增加,各部位最大位移量、最大塑性区呈降低趋势,围岩应力峰值呈双线性变化特征;随着注浆加固参数等级的提高,各部位最大位移量、最大塑性区呈近似指数形式降低;围岩应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势,应力峰值整体呈上升趋势。(5)深部巷道破碎围岩锚注控制现场对比试验研究:研发新型高强锚注支护材料,设计锚注联合支护方案,选择典型破碎围岩巷道开展现场对比试验,结果表明煤巷沿空侧试验段平均收敛量比原方案降低了63.2%,实体侧降低了54.9%,岩巷试验段比原方案降低了81%~83%,高应力破碎围岩的变形得到了有效控制。将研究成果向极软弱破碎煤层巷道中进行了推广应用,设计并开展4种锚注支护对比方案,结果表明注浆锚杆+注浆锚索联合支护、注浆锚杆+高强锚索联合支护等锚注方案可以代替传统的U型棚支护。