考虑围岩孔隙特性的深部巷道注浆加固数值方法研究.pdf
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1、Series No.567September 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第567 期2023 年第 9 期收稿日期 2021-01-19基金项目 国家自然科学基金面上项目(编号:51974203,51574180)。作者简介 文旭东(1996),男,硕士研究生。通信作者 卢海峰(1983),男,教授,博士,博士研究生导师。考虑围岩孔隙特性的深部巷道注浆加固数值方法研究文旭东1 卢海峰1,2 刘泉声1,2 刘 滨3,4 吴月秀1,2(1.武汉大学土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072;2.岩土与结构工程安全湖北省重点实验室,湖北 武汉 430072;3.中国科学院武汉
2、岩土力学研究所,湖北 武汉 430071;4.岩石力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)摘 要 注浆加固可有效改善深部矿区裂隙发育的环境,保证巷道围岩稳定和矿区安全开采。以淮南矿区顾北煤矿泥岩巷道注浆加固工程为依托,通过注浆固结体微观结构扫描电镜试验和力学特性的试验研究,对围岩孔隙特性与注浆固结体力学特性的关系进行了研究,在此基础上对固结体的摩尔-库伦本构模型进行了修正,并基于 FLAC3D软件,开发了考虑围岩孔隙特性的注浆加固评价的数值仿真分析方法,对矿区巷道群注浆加固效果进行了计算。结果表明:岩体孔隙率对注浆固结体的强度和变形特性影响较大,固结体的弹性模量和黏聚力与孔隙率存在
3、对数递增关系,内摩擦角随孔隙率增大而减小;注浆固结体可存在包裹和搭接两种胶结模式;巷道群数值模拟结果显示,无注浆条件下巷道拱顶下沉位移、两帮收敛位移以及底鼓位移最为明显,随着注浆固结时间增加,各部分变形均趋于稳定,验证了该方法能很好地表征注浆加固效果。研究成果可为煤矿巷道注浆加固设计和施工提供分析评价方法。关键词 注浆加固 注浆固结体 力学特性 本构模型 数值仿真 中图分类号TD853 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-09-012-12DOI 10.19614/ki.jsks.202309002Numerical Method of Grouting Reinforcem
4、ent in Deep Roadway Considering Pore Characteristics of Surrounding RockWEN Xudong1 LU Haifeng1,2 LIU Quansheng1,2 LIU Bin3,4 WU Yuexiu1,2(1.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Structural Safety Engineering of Hubei Province,Wuhan 4300
5、72,China;3.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China;4.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Wuhan 430071,China)Abstract Grouting reinforcement can effectively improve the environment of fracture development in deep mining area,an
6、d ensure the stability of roadway surrounding rock and safe mining in mining area.Based on the grouting reinforcement pro-ject of mudstone roadway in Gubei Coal Area in Huainan Mining Area,the relationship between the pore characteristics of sur-rounding rock and the mechanical properties of groutin
7、g consolidation body was studied by scanning electron microscope test and mechanical properties test of grouting consolidation body.On this basis,the Mohr-Coulomb constitutive model of consolida-tion body was modified.Based on FLAC3D software,the numerical simulation analysis method of grouting rein
8、forcement evalua-tion considering the pore characteristics of surrounding rock was developed,and the grouting reinforcement effect of roadway group in mining area was calculated.The results show that the porosity of rock mass has a great influence on the strength and deformation characteristics of g
9、routing consolidation body.The elastic modulus and cohesion of the consolidation body are loga-rithmically increasing with the porosity,and the internal friction angle decreases with the increase of porosity.There are two ce-mentation modes of wrapped and overlapped grouting consolidation body.The n
10、umerical simulation results of roadway group show that the subsidence displacement of tunnel vault,convergence displacement of two sides and floor heave displacement are the most obvious without grouting.With the increase of grouting consolidation time,the deformation of each part tends to be sta-bl
11、e,which verifies that this method can well characterize the grouting reinforcement effect.The research results can provide a-nalysis and evaluation methods for grouting reinforcement design and construction of coal mine roadway.Keywords grouting reinforcement,grouting consolidation body,mechanical p
12、roperties,constitutive model,numerical sim-ulation21 注浆技术是一项实用性强、应用广泛的工程技术,是改善岩土体物理力学性质,封堵地下水的有效措施,是解决煤矿深部高应力环境下泥岩巷道支护难题的必要措施1-2。淮南矿区是国家大型煤炭基地中的两淮基地之一,埋藏深度 2 000 m 以上的煤炭资源量约 500108 t,该区域由于地质构造和沉积历史,巷道围岩中泥岩或泥质胶结的岩石十分常见,整个矿区-800-1 000 m 深度范围内约 70%的岩石巷道围岩为泥岩或泥质胶结的岩石。一方面泥岩本身物理力学性质特殊,遇水极易软化,强度降低;另一方面,巷道围
13、岩处于深部高应力环境,岩体结构复杂,裂隙水发育,因而巷道在开挖掘进过程中很难保持稳定,极易发生变形破坏,必须采取有效的支护加固措施,才能保证巷道围岩稳定和矿区安全开采。有关注浆加固的研究,国内外学者开展了许多卓有成效的工作。在浆液扩散规律和理论模型方面,GROPPO 等3进行了单裂隙中浆液流动过程模拟试验,研究了浆液压力、流速等对浆液扩散半径的影响,刘嘉材4、石达明5推导出了扩散半径与注浆时间的表达式,郝哲等6、阮文军7推导了基于宾汉姆流体的浆液扩散方程,但大多数浆液在裂隙内渗流的理论都会对围岩裂隙进行简化,难以反映浆液的真实扩散情况。近年来,不少学者从注浆试验方面进行了探究,韩晓雷等8采用化
14、学注浆方式对含泥粉细砂层进行注浆试验,探究了各种因素对注浆效果的影响;杨坪等9建立了不同粒径饱和砂砾石的注浆模型,研究了不同浆液及不同注浆压力下的浆液扩散固化机制。在注浆固结体力学特性方面,张农等10、刘泉声等11研究了注浆固结后破裂岩块残余强度的变化情况;王汉鹏等12开展了峰后注浆加固试件的力学特性研究;李剑等13、饶枭宇等14研究了不同配比下注浆体的物理力学性能;何真等15在亚微观尺度上描述了水泥石的微结构,归纳了水泥石微结构与强度的关系;詹金武等16、王志等17通过循环冲击试验研究了注浆固结体的动态特性。随着数值软件的不断更新,不少学者利用 ANSYS、ABAQUS、COM-SOL、FL
15、AC 等软件,模拟了注浆过程中浆液扩散规律及注浆加固效果。李慎刚等18应用 FLAC3D模拟了浆液在土体中的渗流过程,研究了注浆后隧道及围岩体开挖时的应力分布规律以及地表沉降情况;林元俊等19利用 COMSOL 软件建立了软岩巷道注浆扩散瞬态计算模型和加固圈形成后的变形计算模型,对软岩巷道渗流场和位移场进行了数值模拟研究;刘浩等20利用 FLAC3D软件模拟了注浆前后围岩未开采和开采时顶底板的位移量和塑性破坏情况。现有的研究大多数集中浆液的扩散规律及注浆前后岩体力学特性的变化,对整体注浆效果的评价方法相对较少。本研究以淮南矿区顾北煤矿泥岩巷道注浆加固工程为例,通过注浆固结体微观结构扫描电镜试验
16、和力学特性试验研究,对围岩孔隙特性与注浆固结体力学特性的关系进行研究,在此基础上对固结体的摩尔-库伦本构模型进行修正,并基于 FLAC3D软件,开发考虑围岩孔隙特性的注浆加固评价的数值仿真分析方法,对矿区巷道群注浆加固效果进行分析计算。1 注浆固结体力学特性试验研究1.1 试样制备试验选取淮南矿区顾北煤矿-648 m 水平巷道泥岩,通过碎石机将其破碎成粒径约 1 cm 的碎块,按照一定的浆液水灰比及碎石配合比浇入 4 个 30 cm15 cm15 cm(长宽高)的长方体模具,养护 1 周后,通过钻孔取芯制备成 4 组不同孔隙率的圆柱形标准试样(图 1),试样参数取值见表 1。图 1 试样制备F
17、ig.1 Specimen preparation表 1 试样参数Table 1 Specimen parameters试样编号密度/(kg/m3)孔隙率水灰比12 285.090.390.422 187.530.630.432 181.030.680.442 061.790.870.41.2 试验过程试验在中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C 试验机上进行(图 2),这是一种数字控制的电液伺服试验机,是专为岩石和混凝土一类材料的力学性能试验而设计的。本研究采用 RMT-150C 试验机分别对 4 组不同孔隙率的注浆固结体进行单轴压缩试验,所得应力应变全过程曲线如图 3 所示。由
18、图 3 可知:注浆固结体与一般岩石破坏过程相似,经历压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,随着孔隙率增加,注浆固结体的弹性模量逐渐增大,单轴抗压强度也呈增大趋势。值得注意的31 文旭东等:考虑围岩孔隙特性的深部巷道注浆加固数值方法研究 2023 年第 9 期图 2 RMT-150C 试验机Fig.2 RMT-150C test device是,13 号试样在达到峰值应力后还呈现出应变软化和残余阶段,孔隙率最大的 4 号试样则呈现出明显的脆性破坏。对 4 组不同孔隙率试样分别进行了不同围压等级下的三轴试验,围压等级分别为 0、2、5、10、20 MPa,试验得到的应力应变全过程曲线如图
19、 4所示。由图 4 可知:相同围压下,随着孔隙率增加,注浆固结体峰值应力逐渐增加;随着围压增加,注浆固结体的残余强度逐渐增加,且破坏模式逐渐向延性破坏转变。图 3 单轴压缩应力应变全过程曲线Fig.3 Complete stress-strain curves of uniaxial compression图 4 三轴压缩应力应变全过程曲线Fig.4 Complete stress-strain curves of triaxial compression41总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期1.3 力学特性分析1.3.1 强度特性分析根据试验数据,分别绘制了 4 组试样
20、的摩尔圆(图 5),得到不同孔隙率条件下注浆固结体的强度参数,见表 2。图 5 三轴试验摩尔圆Fig.5 Triaxial test molar circle表 2 注浆固结体强度参数Table 2 Strength parameters of grouting consolidation bodies试样编号黏聚力/MPa内摩擦角/()16.19923.828.75120.9310.43822.4410.58214.1 由表 2 可知:注浆固结体的黏聚力随着孔隙率增大呈增长趋势,符合对数函数关系,内摩擦角随孔隙率增大而减小(图 6、图 7)。图 6 黏聚力与孔隙率的关系Fig.6 Relat
21、ionship between cohesion and porosity1.3.2 变形特性分析孔隙率与注浆固结体弹性模量和泊松比的关系如图 8、图 9 所示。由图 8、图 9 可知:弹性模量随着孔隙率的增大呈对数函数增长,而泊松比变化规律不明显,取值范围为 0.180.23。1.4 注浆固结体胶结特性注浆固结体的力学特性与其微观结构存在一定图 7 内摩擦角与孔隙率的关系Fig.7 Relationship between internal friction angle and porosity图 8 弹性模量与孔隙率的关系Fig.8 Relationship between elastic
22、 modulus and porosity图 9 泊松比与孔隙率的关系Fig.9 Relationship between poissons ratio and porosity联系,为了研究注浆固结体的微观胶结特性,分别对51 文旭东等:考虑围岩孔隙特性的深部巷道注浆加固数值方法研究 2023 年第 9 期4 种注浆固结体在 Quanta 250 型环境电子扫描显微镜上进行观察,得到了不同放大倍数下注浆固结体的微观图片,如图 10 至图 13 所示。图 10 1 号试样扫描电镜图Fig.10 Scanning electron microscope chart of No.1 sample图
23、 11 2 号试样扫描电镜图Fig.11 Scanning electron microscope chart of No.2 sample图 12 3 号试样扫描电镜图Fig.12 Scanning electron microscope chart of No.3 sample图 13 4 号试样扫描电镜Fig.13 Scanning electron microscope chart of No.4 sample 由图 10 至图 13 可知:在较小放大倍数下,浆液与岩石接触面接触都很好,但随着放大倍数增加,可以看出不同孔隙率试样中浆液与岩石的接触关系不同。1 号试样孔隙率最小,通过其
24、2 000 倍放大图(图 10(d)可以看出,浆液与岩石之间并没有完全解除,存在一定的微观裂缝。随着岩石孔隙率增加,岩块被更多的浆液所包裹,浆液与岩石接触面胶结越好,浆液与接触面之间微裂隙越小,当孔隙率增大到一定程度时,浆液与接触面互相融合,胶结效果最好(图 13)。结合注浆固结体微观结构特征,可以将注浆固结体分为两种胶结模式:一种为包裹模式,另一种为搭接模式(图 14)。包裹模式往往出现在岩体孔隙率较大时,浆液充填范围较大,对岩石块体形成包裹,这种模式下浆液与岩石块体胶结紧密。搭接模式往往出现在岩体孔隙率较小时,此时浆液可充填范围相对较61总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9
25、 期小,浆液主要相邻岩石块体起到黏结作用,岩石块体与浆液之间胶结相对较弱。图 14 注浆固结体胶结模式Fig.14 Cementing modes of grouting consolidation body注浆固结体的胶结模式与其力学特性有着密切联系,包裹模式下的注浆固结体其力学特性接近水泥石的力学特性,由于浆液黏结作用强烈,使得岩体发生破坏所需的起始作用力较大,反映到力学参数上就是黏聚力较大,而搭接模式下的注浆固结体由于浆液充填相对较少,黏结作用相对较弱,所以黏聚力也相对较小。内摩擦角大小反映了岩体发生破坏形成贯通破裂面的难易程度,在搭接模式下,由于岩石碎块分布较多,而岩石块体的强度相对较
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