高偏应力作用下注浆孔围岩塑性区连通机制及加固技术研究.pdf
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1、李洪蛟(1988),男,工程师,100013 北京市朝阳区。高偏应力作用下注浆孔围岩塑性区连通机制及加固技术研究李洪蛟1,2,3(1.煤炭科学技术研究院有限公司矿用材料分院;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室)摘要高偏应力场中多个注浆孔的围岩塑性区分布和破坏机制对于注浆加固技术研究具有重要意义。首先对不同偏应力条件下单个注浆孔围岩塑性区形态进行研究,认为随着主应力比值的不断增大,塑性区的形态呈现出由圆形变为椭圆形再变为“蝶形”的规律。高偏应力条件下多个注浆孔围岩塑性区均呈现为“后蝶形”,导致塑性区出现了连通。高偏应力条件下有助于浆
2、液的扩散,有利于提高加固效果。关键词注浆钻孔塑性区形态连通破坏DOI:10.3969/j.issn.1674-6082.2023.10.026Study on Connection Mechanism and Reinforcement Technology of Plastic Zonein Surrounding Rock of Grouting Hole under High Deviatoric StressLI Hongjiao1,2,3(1.Mine Materials Branch,CCTEG China Coal Research Institute;2.State Key L
3、aboratory of High EfficientMining and Clean Utilization of Coal Resources;3.National Energy Technology and Equipment Laboratoryof Coal Utilization and Emission Control)AbstractThe distribution and failure mechanism of plastic zone in surrounding rock of multiplegrouting holes in high deviatoric stre
4、ss field are of great significance for the study of grouting reinforcementtechnology.Firstly,the shape of the plastic zone of the surrounding rock of a single grouting hole under different deviatoric stress conditions is studied.It is considered that with the increase of the principal stress ratio,t
5、he shape of the plastic zone changes from round to oval and then to butterfly.Under the condition of highdeviatoric stress,the plastic zone of surrounding rock of multiple grouting holes is presented as rear butterfly,which leads to the connection of plastic zone.Under the condition of high deviator
6、ic stress,it is helpfulto the diffusion of slurry and to improve the reinforcement effect.Keywordsgrouting borehole,the shape of plastic zone,connection destruction总第 654 期2023 年 10 月第 10 期现代矿业MODERN MININGSerial No.654October.2023注浆加固技术在煤矿井下应用已经较为广泛,在围岩相对破碎区域实施注浆加固,有助于改善围岩的支撑能力,确保现场安全1-3。注浆加固技术能够顺利
7、实施的前提是注浆孔可以通过裂隙等将浆液扩散至围岩内部。注浆孔施工完毕后,围岩充满裂隙才能为浆液的流动创造空间,否则,浆液会沿着注浆孔流出,无法达到内部加固的目的。在外力的作用较小时,注浆孔之间的围岩是相对封闭的,不会产生互相影响,但当外力的作用较大时,不同注浆孔会产生相互影响,这种影响是一把双刃剑,一方面要求注浆孔围岩具有裂隙,为浆液流动创造条件,另一个方面,过多的连通即是对围岩的一种损伤。因此,研究注浆孔围岩塑性区(破坏)的连通机制是必要的,其为注浆加固技术的实施提供了重要理论基础,也为现场注浆参数的设计提供了指导。正常情况下,若围岩所受应力场较小,其内部破碎程度亦较小,此种情形下,无需注浆
8、加固。但当围岩所受应力场较为异常时,如高应力或偏应力状态,109现代矿业2023 年 10 月第 10 期总第 654 期经常导致围岩出现较多内部裂隙,此时通常采用强支护或者注浆加固技术。但实际上,在异常应力场作用下,注浆孔洞之间是互相影响的,这种影响是注浆技术能够成功的关键要素之一4-6。本研究首先分析不同偏应力条件下单个注浆孔围岩塑性区形态,然后分析高偏应力条件下多个注浆孔围岩塑性区连通机制,为高偏应力作用下注浆孔围岩加固技术提供支撑。1不同偏应力条件下单个注浆孔围岩塑性区形态1.1力学模型为研究不同偏应力条件下单个注浆孔围岩塑性区形态,建立力学模型,见图1。模型为典型的平面应变问题,平面
9、方向上,模型为200 m的正方形,垂直方向上,深度为1 m。在模型中心设置1个圆形注浆孔洞,固定模型位移边界条件,假设模型所受最大主应力(外力)为P1,最小主应力(外力)为P3。在外力的作用下,模型中任一单元体的破坏采用摩尔-库仑准则进行判定,当超过单元体的屈服极限时,认为单元体塑性化。虽然以塑性化代表破坏存在一定的误差,但可以用于揭示围岩破坏机制。1.2理论计算结果孔洞周边每个单元体的应力状态及塑性破坏条件可以采用文献 7-8 中的公式进行计算,根据该隐性公式,可以得到单个孔洞周边的塑性区分布形态,借助Python程序可以获得孔洞周边围岩塑性区边界,进而得到不同偏应力场下孔洞周边塑性区形态理
10、论计算结果,见图2。偏应力值不同时,塑性区呈现出了不同的形态。当最大主应力与最小主应力的比值为1时,模型所受外力是均匀的,塑性区呈现圆形形态;当比值为1.5时,模型所受外力是不均匀的,在最大主应力方向会呈现更多的塑性单元,从而呈现椭圆形;当比值为2.5时,模型所受外力的不均匀程度加大,在最大主应力方向呈现的塑性单元变的更多,但是垂直方向增加程度小于两翼方向,从而呈现出“蝶形”状态;当比值为2.75时,模型所受外力的不均匀程度持续加大,塑性区由“蝶形”状态向“后蝶形”演变。1.3数值模拟结果按照理论计算过程施加计算条件,数值模拟结果同样呈现出了类似的规律,见图3。综上所述,理论计算结果和数值模拟
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