深井巷道“双壳”注浆加固支护机理研究

随着华北地区煤矿采深逐年增加，深部巷道控制问题日显突出，巷道稳定性控制已成为深部开采亟待解决的技术难题。由于深部围岩普遍具有工程软岩特征和高地应力下严重的巷道变形和底臌，现场多采用注浆方式对深部巷硐进行二次、乃至多次加固，效果良好。但是，因对注浆加固机理和注浆参数的研究尚不够完善，根据围岩情况取何种注浆方式才能取得最佳效果也未有充分认识，在注浆加固工程实践中存在盲目性，易造成浪费。.根据工程实践中发现的问题和前期研究成果，提出深部巷道"双壳"注浆加固支护体系，即通过浅、深部两次注浆形成两个支护壳体，共同承载围岩应力的力学作用。通过力学分析、实验室相似材料模拟和现场验证研究手段，分析"双壳"注浆加固机理，构建"深井巷道双壳注浆加固理论体系"。结合华北地区深井岩性和地应力特征，对巷道按照注浆性能、注浆方法等进行分类，确定合理的注浆参数，建立巷道注浆加固分类选择体系，指导深部巷道注浆工程实践。

针对深部巷道支护难的问题，在4年时间里，课题组开展了深部巷道围岩变形破坏机理、深部巷道新的支护理论及其关键技术的系列研究，力争在深部高应力条件下巷道支护理论和支护技术方面有所突破。.通过调查深井巷道围岩的破坏特征和原因，基于强化围岩支护体自身结构的理念，结合了工程实践中“浅部低压注浆、深部高压注浆”的二次注浆+锚杆+锚索支护的研究，提出了深井巷道“双壳”注浆加固支护理论。建立了“单壳”、“连续双壳”、“非连续双壳”三类模型，并根据岩体强度破坏准则及弹塑性力学理论，构建了“双壳”物理力学模型，理论推导了“双壳”支护体的应力分布、位移及分区半径的计算公式，并采用D-P准则考虑中间主应力和岩石脆性损伤理论本构关系对巷道围岩的弹塑性分析进行了优化，使物理模型更符合实际情况。.深入分析了“双壳”的支护机理：认为巷道受高压作用使应力随塑性区的扩大由浅部向深部转移，而锚杆+浅部注浆形成支护壳，改善了浅部破碎围岩结构，保证了围岩完整性；锚索+深部高压注浆形成加固壳，改善了深部围岩力学特性，缓解了深部围岩塑性蠕变，阻隔了高地应力向浅部传递，并为锚杆锚索提供着力基础；非连续双壳中部柔性层裂隙发育，其应变空间可协调浅、深部壳体协同变形，吸收岩体变形能，阻隔深部高应力传递；研究形成了双壳注浆加固支护理论体系。项目进行了5个相似材料模拟实验，分别研究了不同支护条件下的围岩变形破坏演化规律及特征、不同应力环境下的围岩变形破坏特征、连续与非连续双壳支护对围岩加固的对比、连续双壳壳体厚度对巷道稳定性的影响、高地应力岩巷底鼓机理及连续双壳治理底鼓效果。实验结果表明：双壳支护对控制高应力巷道变形失稳有显著效果，尤其对于治理底鼓效果更佳。同时进行了大量的数值模拟研究和分析，并在井下进行了矿压观测研究，对实验结果进行了验证。在双壳支护理论指导下构建了较为完善的双壳支护关键技术体系，并在邯矿集团、阳煤集团、潞安集团数个矿井进行了工业性试验和推广应用，帮助企业取得了巨大的经济效益。基于大量调查和现场应用，编制了深部巷道“双壳”支护方案优选表。.研究成果形成了理论和技术体系，具有理论和指导工程实践双重价值，丰富了深部巷道支护理论，促进了深部巷道支护技术的发展。