巷道注浆加固浆液扩散数值模拟

巷道注浆加固浆液扩散数值模拟
高明中;井欢庆;陈雨雪
【摘要】Grouting contributes to the repair and stabilization of roadway excavation.However, the determination of grouting parameters need the aid of engineering analogy.To study the relationship between grouting position, pressure and elliptic diffusion, different conditions of grouting positions and grouting pressure have been analyzed with the numerical simulation software UDEC.By the grouting numerical simulation test, the grouting position and grouting pressure upon grout diffusion radius are analyzed.The results of the simulation experiment applied in the design of the roadway grouting engineering are enumerated.Results indicated that the shape of elliptic dif-fusion vary with grouting position, grouting pressure affect the area of elliptic diffusion.Surge grouting is an ef-fective measure to ensure grouting.%通过注浆能较好地解决开挖后巷道修复和长期稳定的问题,然而注浆参数的确定往往需要借助工程类比.为探索注浆浆液扩散过程和注浆位置、注浆压力之间的关系,采用数值模拟软件UEDC对不同的注浆位置以及注浆压力,进行了数值模拟分析.通过注浆数值模拟试验,分析了注浆孔位置和注浆压力等因素对浆液扩散半径的影响规律,并将模拟试验结果应用于巷道注浆工程设计与施工中.结果表明:浆液扩散的形状随注浆位置的变化而变化;注浆压力对浆液扩散面积有一定影响.调压注浆是提高注浆效果的有效措施.
【期刊名称】《安徽理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(037)002
【总页数】4页(P6-9)
【关键词】巷道;注浆加固;浆液;扩散椭圆;调压注浆
【作者】高明中;井欢庆;陈雨雪
【作者单位】安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南 232001【正文语种】中文
【中图分类】TD265.3
在我国煤矿的深井岩石巷道中，40%～80%的巷道需要不断循环修复才能保证断面，满足正常生产需求[1]。

巷道开挖后的严重变形破坏，往往难以以常规支护手段维持巷道围岩的稳定，巷道修复多采用注浆方法[2]。

注浆技术因其具有良好的堵水、加固围岩等技术优越性和成本低廉、施工灵活等工艺特性而越来越广泛地应用于巷道加固工程中。

通过注浆，既能改善支护结构的受力情况，又能改善巷道破碎围岩的整体性和抗渗能力，提高围岩的自承能力，较好地解决巷道长期稳定的问题[3]。

目前对于注浆加固研究取得了较多的成果。

文献[4]对渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布进行了数值模拟，得到了计算浆液渗流的有限元模型，并对实际注浆工程进行了计算；文献[5]开展了软岩巷道锚注支护时机优化研究，指出随着注浆时机滞后，围岩中浆液流动渗透范围逐渐增大,但注浆后的围岩强度逐渐降低，巷道围岩变形表现出”先减小、后增大”的趋势，并给出结合数值模拟优化分析与现场监测确定最佳锚注时机的方法；文献[6]和文献[7]提出深-浅耦合全断面锚注支护技术体系，利用COMSOL软件模拟了浆液渗透扩散过程，指出注浆锚杆、索所注浆液使巷道浅部围岩形成完整锚注加固圈，而注浆锚索同时使巷道深部围岩形成局部锚注
加固体，两者协调耦合互为支撑；文献[8]和文献[9]研究了宾汉姆流体柱-半球形渗透注浆下的半球体部分扩散半径及柱体部分扩散高度的理论计算，分析了柱-半球
形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径及柱体部分扩散高度的影响因素，并设计注浆试验对其进行验证。

然而，注浆理论和技术中还存在一些需要研究和解决的问题，如岩体注浆理论的研究大多建立在单一水平裂隙和牛顿流体稳定渗流的基础上，难以真实地反映裂隙岩体注浆浆液扩散过程[10]。

注浆参数设计中，尤其是注浆位置、注浆压力和注浆扩散效果检验等，往往需要借助工程类比来确定，给注浆技术的推广带来不少困难。

本文通过对注浆浆液扩散情况进行数值计算，探索注浆浆液扩散过程和注浆位置、注浆压力之间关系，对采动巷道的围岩加固提出不同位置的调压注浆工艺进行注浆。

在此基础上, 进行注浆设计，结合工程实例进行分析，以为巷道围岩注浆加固工程提供参考。

为了研究影响注浆范围的影响因素，在模型计算中考虑应力场与渗流场的耦合。

采用UDEC软件中的流体分析模块，模拟流体沿裂隙网络的流通、扩展和迁移行为。

计算模型尺寸为25m×25m，划分单元格25×25。

本构模型为Mohr-Coulomb
模型，模型岩性为泥岩，其参数为粘聚力3.5MPa，内摩擦角30°，剪切模量
0.46GPa，体积模量0.8GPa，容重25.3kN/m3。

模型左右边界水平位移约束，
下边界为固定约束，上边界为应力边界，按埋深500m，施加12.5MPa的垂直荷载。

巷道断面设计为直墙半圆拱，巷宽×高=4.4m×3.8m。

沿巷道周边以0.8m的间距布置13根锚杆，锚杆直径20mm，长度2.5m。

注浆浆液设计为水泥浆，故选择宾汉流体模型，其参数为密度14.9kN/m3，粘聚力0.18Pa。

注浆孔设置于锚杆尾部。

注浆是在巷道开挖并实施锚杆支护后进行。

影响注浆效果的因素很多，如裂隙分布和发育情况、浆液的性质、注浆时机、注浆压力与时间、注浆孔的位置与深度、注浆方法与工艺等。

本文重点考察注浆孔的位
置和注浆压力对浆液扩散的影响规律：
1)注浆孔的位置：设计的位置有5种。

具体为顶部、肩部、帮部、扎脚部和底部；
2)注浆压力P：P分别取1MPa和5MPa。

输入不同情况下的物理力学参数，就能得到不同工况条件下的注浆扩散情况。

各模拟过程的收敛程度较好，计算结果如图1所示。

图1左列为P=1MPa的情形，右列为P=5MPa的情形。

1～3行分别为肩部、帮部和扎脚注浆的情形。

为了清晰看出浆液的扩散范围，沿注浆孔的径向和轴向确定浆液扩散范围。

浆液总体上呈椭圆扩散，分别约定沿注浆孔的轴向和径向方向为轴向扩散和径向扩散。

由此可计算出扩散椭圆的轴向长度la和径向长度lr以及扩散椭圆中心距孔口的距离l。

具体结果如表1所示。

在巷道不同位置处注浆，浆液的扩散形状有如下特征：肩部注浆时，浆液扩散是径向为长轴的椭圆；帮部注浆时，浆液扩散是轴向为长轴的椭圆，帮部注浆的浆液扩散不均匀性要大于肩部注浆；扎脚注浆的浆液扩散是径向为长轴的椭圆，浆液扩散的均匀性得到明显提高，更趋向于圆形。

从扩散椭圆总体上看，浆液扩散是有限的，径向扩散1.7～2.2m，轴向扩散1.5～2.2m。

在顶板和底板注浆时，无论注浆压
力多大，浆液也无法注入，且在底板注浆压力为5MPa时，底鼓明显。

其原因可
能为锚杆支护后，组合梁或拱的作用，使得岩块铰接紧密，从而浆液难以渗透。

关于注浆压力对浆液扩散的影响，当注浆压力为1MPa时，浆液扩散面积的从大
到小排序为：扎脚>肩部>帮部，面积比为1.48∶1.12∶1；当注浆压力为5MPa 时，排序变化为帮部>扎脚>肩部，浆液扩散面积比变化为1.05∶1.04∶1。

随注
浆压力的提高，不同部位注浆浆液椭圆扩散面积的差异变得越来越小。

随着注浆压力的增加，不同部位浆液扩散面积增加程度有所差异，肩部浆液扩散面积有所增加，提高了7%，帮部浆液扩散面积明显增加，增大了26%，但扎脚浆
液扩散面积减少了约40%。

这可能是由于模拟软件的限制，本次数值模拟只是反
映了注浆的渗透作用，而未能反映注浆的劈裂作用。

在目前注浆理论及软件尚不完善的情况下，本次模拟还是具有一定参考价值的。

基于淮北某矿轨道大巷的地质与工程条件。

由于巷道选位在宽缓褶曲构造轴部的泥岩中，巷道地质与应力环境较差，再加上采动的影响，巷道变形十分严重，虽经多次修复，仍不能维持巷道稳定(见图3)。

参考已有修复经验，根据本文关于注浆浆液扩散的数值模拟研究，结合工艺的可能性以及现场施工的可操作性，对该巷道采用了“三锚”修复技术。

即锚喷支护形成基本承载圈；关键部位的锚索调动深部围岩强度；围岩注浆，以提高围岩整体性。

其中巷道注浆示意图如图3所示，顶、肩、帮、扎脚等注浆孔间距1.4m，排距
2.0m。

底板注浆孔间排距分别为1.5m和1.2m。

注浆压力为1～3MPa。

根据数值模拟的研究成果，选择调压注浆工艺。

具体实施步骤为，首先，进行帮部注浆(注浆压力3MPa)，其后在肩部注浆(注浆压力3MPa)和扎脚处注浆(注浆压力
1MPa)，最后在顶底板处注浆(注浆压力3MPa)。

为验证支护效果，对巷道进行了变形观测。

由现场观测表明，各测站围岩变形缓慢，移近速度在1mm/d以内，断面收敛率在3.8%～5.9%。

由此可知“三锚”修复方式应用可行，提高了巷道围岩的稳定性，可为后续的巷道支护和修复设计提供参考和借鉴。

1)浆液总体上呈沿注浆孔的轴向和径向的椭圆扩散，注浆位置不同，扩散椭圆的形状不同，扩散面积也不同；
2)注浆压力不仅影响浆液椭圆扩散的形状，而且影响椭圆扩散面积。

随着注浆压力的提高，扩散面积趋同；
3)不同部位应试行调压注浆工艺，即按照帮-肩-扎脚-顶(底)的位置分别调整注浆压力由高到低的顺序。

经现场工程应用表明，效果良好，注浆方案应用可行。

【相关文献】
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