耦合注浆加固机理及围岩力学参数位移反分析_许昌毓.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 耦合注浆加固机理及围岩力学参数 位移反分析 许昌毓， 韩立军， 田茂霖， 王亚洁 （中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏 徐州 221116） 摘要 为了揭示深浅孔-高低压耦合注浆加固的作用机理， 获得了王家岭煤矿 12101 工作面运 输巷破碎围岩耦合注浆加固后的围岩参数，利用数值仿真软件 COMSOL Multiphysics 建立了围 岩注浆加固的流固耦合模型， 分析了普通注浆与耦合注浆的不同作用效果， 确定了进行位移反 分析的计算范围；然后，基于 Mohr-Coulomb 准则利用 FLAC3D数值模拟软件对超前来压作用下 的 12101 工作面运输巷相关参数进行位移反分析研究，得到了耦合注浆加固后的围岩参数； 最 后将反演的参数应用于预测 12322 工作面运输巷的位移情况， 并与实际监测数据进行了对比分 析， 获得了较好的预测结果。 关键词 深浅孔-高低压； 耦合注浆加固； 数值模拟； 围岩参数； 位移反分析 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0155-06 Coupled Grouting Reinforcement Mechanism and Displacement Back Analysis of Mechanical Parameters of Surrounding Rock XU Changyu, HAN Lijun, TIAN Maolin, WANG Yajie （State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining coupled grouting reinforcement; numerical simulation; surrounding rock parameter; displacement back analysis 随着矿井进入深部开采阶段，破碎围岩巷道支 护问题日益突出，注浆加固工艺得到了越来越广泛 的使用[1-3]。破碎围岩注浆加固后的力学参数一般通 过室内试验获得，但这种方法不能有效地模拟出现 场实际受力及边界条件，且费时费力。而反分析法 作为 1 种简便、高效的分析方法在矿山巷道、隧道 等地下工程领域得到了较为广泛的应用[4-5]。王少杰 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.033 许昌毓， 韩立军， 田茂霖， 等.耦合注浆加固机理及围岩力学参数位移反分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 155-160. XU Changyu, HAN Lijun, TIAN Maolin, et al. Coupled Grouting Reinforcement Mechanism and Displace－ ment Back Analysis of Mechanical Parameters of Surrounding Rock ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 155-160. 移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51574223） 155 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 等[6]将各向异性岩体中任意形状隧洞的位移解析解 与差分进化法结合，研究了宏观各向同性岩体中在 各向异性面上开挖马蹄形隧洞的位移反分析问题。 田茂霖等[7]结合差分进化算法提出了合理的位移反 分析方法及步骤，并应用于青岛地铁工程，所得反 演参数数值计算的位移与现场监测位移具有良好的 一致性。张宏洲[8]基于位移反分析理论， 提出采用 ANSYS 的优化设计技术对超前小导管注浆区域的 力学参数进行弹塑性确定性反分析，同时借助于 APDL 实现参数化确定性反分析，获取了小导管注 浆区域的力学参数。刘乃飞等[9]基于复变理论将弹 塑性参数反演方法进一步推广至城门洞形隧洞， 并 对强度参数反演的合理性和唯一性进行了探讨。王 雪冬等[10]将粒子群算法与 BP 神经网络相结合应用 于巷道围岩位移反分析计算中，并取得了较为理想 的位移反分析效果。 Zhang 等[11]利用参数可辨识条件 对考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中圆形巷道 位移反分析的惟一性进行了探讨，为进一步探究位 移反分析的惟一性奠定了基础。Xu 等[12]以拱顶沉降 与侧墙水平位移之比为研究变量，提出基于位移比 二分法的反分析法，获得了较为可靠的围岩初始支 护系统物理力学参数。Gao 等[13]提出了 1 种能同时 确定材料参数和初始应力的反分析方法计算了龙潭 隧道的典型监测断面，取得了较好的结果。以上研 究大多是通过反分析法来研究巷道或隧道围岩本身 的力学参数，而对于破碎围岩注浆加固后的相关参 数很少有人研究。 为此， 以王家岭煤矿 12101 工作面 运输巷破碎围岩加固为工程背景，建立了围岩注浆 加固的流固耦合模型，分析了普通注浆与耦合注浆 的不同作用效果，同时对超前来压作用下的 12101 工作面运输巷耦合注浆加固后的围岩参数进行位移 反分析研究，并将反演的参数应用于预测 12322 工 作面运输巷的位移情况，并与实际监测数据进行了 对比分析， 获得了较好的预测结果。 1深浅孔-高低压耦合注浆加固 1.1深浅孔-高低压耦合注浆加固工艺 深浅孔-高低压耦合注浆加固工艺适用于巷道 和隧道等地下工程的注浆加固，尤其适用于巷道破 碎软弱围岩的注浆加固。耦合注浆工艺先用钻头在 围岩体上钻出 1 个 2～3 m 的浅孔， 并采用 2～3 MPa 的压力进行浅孔-低压注浆。 待浆液固化 3～7 d 后卸 掉注浆装置，采用钻头在浅孔-低压注浆的孔口管 内扫出 1 个 5～6 m 的深孔， 采用 3～5 MPa 的压力进 行深孔-高压注浆。通过浅孔-低压与深孔-高压同 管分次注浆，对破碎严重的松动圈外围进行耦合加 固， 其工艺简单、 安全、 成本低、 加固效果显著[14]。在 一些加固区域非常大的超前注浆加固工程中，注浆 孔深度可以达到 30 m 以上，注浆压力可以达到 10 MPa 以上，此时耦合注浆加固工艺可以推广为 3 个 甚至 3 个以上的不同孔深、不同注浆压力的循环注 浆， 但其作用机理基本相同。 1.2深浅孔-高低压耦合注浆加固机理 1.2.1模型的建立 假设岩体为理想的多孔弹性体，基于达西定律 和岩石力学弹性定律的单相流动耦合方程为[15] ▽ K μ ▽ （） p＝φct ∂p ∂t α ∂e ∂t λ2 （） G ▽ 2 eα▽ 2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ p （1 ） 式中 K 为渗透率， m2； μ 为流体黏度， Pa s； p 为 流体压力， Pa； φ 为岩石孔隙度； ct为流体压缩系数， 1/Pa； t 为时间， s； α 为比奥系数； e 为体应变； λ 为拉 梅常数； G 为剪切模量， Pa。 采用数值仿真软件 COMSOL 建立的长宽高 8 m4 m4 m 的三维多孔弹性岩体注浆的流固耦 合模型如图 1。 使用 COMSOL 中达西定律模块与固体力学模 块， 并基于式 （1 ） 对软件中内嵌的方程式进行修正， 使得 2 个物理场可以进行耦合计算。结合王家岭煤 矿 12101 工作面运输巷工程概况确定边界条件及初 始条件， 并将模型划分为 9 072 个单元。其中， 注浆 材料采用水泥浆， 黏度取 0.008 Pa s， 初始密度取 1 400 kg/m3， 围岩初始孔隙率取 0.2， 初始渗透率取 1 10-11m2， 计算模型中煤岩体力学参数见表 1。 1.2.2普通注浆与耦合注浆对比分析 普通注浆加固采用长度为 5 000 mm 的注浆 图 1三维多孔弹性岩体注浆模型 Fig.13D grouting model of porous elastic rock mass 156 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 1计算模型中煤岩体力学参数 Table 1Mechanical parameters of coal and rock mass in computation model 岩性 自然干燥 密度/ （g cm-3） 抗拉 强度 /MPa 单轴抗 压强度/ MPa 弹性 模量 /MPa 泊松 比 黏聚力/ MPa 内摩 擦角 / （ ） 煤样1 412.621.04613.892 062.39 0.3622.3144.34 岩样2 659.107.59763.2811 579.69 0.2718.8947.39 孔，分别使用 2 MPa 及 5 MPa 的注浆压力进行注 浆。 普通注浆及耦合注浆压力分布如图 2。 当采用较 小的注浆压力 （2 MPa） 时， 向破碎围岩中注入的浆 液较少，无法有效地将破碎围岩胶结起来，强度难 以得到保障， 如图 2 （a） ； 当采用较大的注浆压力 （5 MPa） 时， 容易造成注浆口围岩周边浆液渗漏， 如图 2 （b） 。浅孔-低压注浆采用长度为 2 000 mm 的注浆 孔， 注浆压力为 2 MPa， 它可以将注浆口周围破碎围 岩胶结成整体， 凝固后形成止浆垫， 如图 2 （c） ； 深 孔-高压注浆采用长度为 5 000 mm 的注浆孔， 注浆 压力为 5 MPa， 由于是在浅孔-低压注浆的基础上进 行注浆， 注浆过程中注浆口处围岩较为稳定， 同时对 低压-浅孔注浆加固体进行了复注补强，有效地加 固了围岩体， 如图 2 （d） 。 1.2.3耦合注浆加固机理 普通注浆加固的注浆压力大小及注浆量不易控 制， 加固效果难以得到保障。而浅孔-低压注浆使浆 液通过挤压或渗透作用将破裂煤岩体松动圈附近的 裂隙及孔隙充填密实， 经过浆液的胶结作用， 将围岩 表面胶结成 1 个具有较高承载力的注浆结石体， 使 得破碎围岩具备承受更高注浆压力的能力。而在浅 孔-低压注浆的基础上进行深孔-高压注浆， 能够进 一步提高围岩较深范围内浆液的渗透能力，扩大支 护体系的承载范围。总之， 深浅孔-高低压耦合注浆 的施工方法， 通过浅孔-低压注浆为深孔-高压注浆 提供稳定的注浆施工条件，通过深孔-高压注浆对 浅孔-低压注浆进行复注补强， 2 个步骤相互耦合作 用， 有效地控制了巷道软弱破碎围岩的变形。 1.3浆液有效加固范围的确定 进行深孔-高压注浆 10 min 后，煤岩体中注浆 孔所在直线上的压力大小如图 3。在 5 m 的注浆孔 中， 注浆压力基本稳定在 5 MPa 左右； 而在 5 m 之 后的岩体内，由于渗透性急剧降低，岩体内浆液压 力急剧下降。在本工程中， 浅孔-低压注浆压力一般 至少在 2 MPa 左右， 否则无法保证浆液将破裂煤岩 体松动圈附近的裂隙及孔隙充填密实。因此，可以 保守地将岩体内深孔-高压注浆浆液扩散压力的 2 MPa 处作为有效注浆加固的范围，即距离注浆口 5.2 m 处。又由于注浆孔均匀分布在巷道顶板和帮 部，故可以简化地将巷道顶板及帮部周边以 1 个 5.2 m 的包络区域作为有效注浆加固的范围，即仅 将该区域的围岩参数进行位移反分析计算。 2注浆加固后围岩力学参数位移反分析 2.1基于均匀设计的位移反分析法 位移反分析法是 1 种广泛应用的分析方法， 是 1 个优化逼近的过程， 它一般直接利用正分析过程， 通过不断调试参数的试算， 进行优化逼近， 无需建立 图 2普通注浆及耦合注浆压力分布 Fig.2Pressure distribution of common grouting and coupled grouting 图 3注浆孔所在直线压力大小 Fig.3Pressure on the straight line where the grouting hole is located 157 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 4数值模拟模型 Fig.4Numerical simulation model 逆解方程， 适用于各类线性和非线性问题[16-17]。将位 移反分析法与均匀设计理论相结合，用来反演分析 王家岭煤矿 12101 工作面运输巷深浅孔-高低压耦 合注浆加固后的围岩参数。根据 Mohr-Coulomb 屈 服准则， 选取 4 个待演参数因素 （体积模量、 剪切模 量、 黏聚力和内摩擦角） ， 并在其取值范围内将其均 分成 11 个水平， 则可选用的均匀设计表类型为[18] U * nn m （ ）U * 1111 4 （） （2） 式中 U 为均匀设计； n 为水平数，同时表示试 验次数； m 为均匀设计表最多可安排的因素数量； “*” 号为设计表为均匀性较好的类型。 实际工程中为了达到整体上反演的最佳效果， 通常还需要利用位移误差来建立目标函数，即实测 位移与计算位移的标准差 δ δmin n i 1 ∑ ui-u * i （） 2 / （） n ■ （3） 式中 ui为反分析计算位移； u * i为工程现场实测 位移； n 为位移监测点的数目。 当标准差 δ 最小时即为最优组合。 2.2位移反分析参数 深浅孔-高低压耦合注浆加固在王家岭煤矿 12101 工作面部分运输巷进行了实际应用， 在 310 m （1断面） 、 285 m （2断面） 、 270 m （3断面） 、 250 m （4断面） 、 235 m （5断面） 、 220 m （6断面）等位置 共布设 6 个断面进行监测。其中 2断面、 3断面及 4断面为深浅孔-高低压耦合注浆加固段， 1断面、 5断面及 6断面为未注浆段， 选取 3 个注浆断面实 测位移的平均值进行参数反演分析， 利用 FLAC3D数 值模拟结果来确定 12101 工作面运输巷深浅孔-高 低压耦合注浆加固后的围岩参数。 12101 工作面运输巷煤岩体力学参数见表 1， 由 于 FLAC3D中参数输入不使用弹性模量和泊松比， 需 要将其换算为体积模量和剪切模量，故基于 Mohr- Coulomb 屈服准则确定的主要反演参数为体积模 量、 剪切模量、 黏聚力和内摩擦角， 根据工程经验及 注浆结石体试验确定反演参数的大致范围为[19-20] 体积模量 1.20～1.80 GPa；剪 切 模 量 1.42 ～2.13 GPa； 黏聚力 1.13～3.39 MPa； 内摩擦角 25～30。未 参与反演分析的参数为天然密度、抗压强度和抗拉 强度。由于模拟区域主要为煤层，故仅对煤层的 4 个主要参数因素进行反演分析，岩层参数保持不 变。查阅 U * 1111 4 （）的使用表得到的用于位移反分析 计算的均匀设计方案见表 2。 2.3位移反分析计算 在 FLAC3D中建立长宽高50 m50 m50 m 的模拟区域，巷道断面为 5.6 m3.55 m 的矩形， 由 于工作面的推进，运输巷受超前来压影响较大。限 制模型侧向及底部位移，在上表面及四周施加初始 应力条件，同时在上表面施加外荷载来模拟工作面 开挖产生的超前来压， 并将模型划分为 25 900 个单 元， 数值模拟模型如图 4。 按照表 2 对深浅孔-高低压耦合注浆有效加固 范围内的反分析参数进行赋值可以建立 11 个模型， 将其逐个进行反演分析计算，位移反分析结果见表 3。 选取目标函数 δ 的最小值 5.32 mm 便可确定方案 8 为最优方案，即耦合注浆加固后围岩的体积模量 为 1.38 GPa， 剪切模量为 1.917 GPa， 黏聚力为 2.712 表 2均匀设计方案 Table 2Scheme of uni design 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1.441.8461.13030.0 1.741.4911.35629.5 1.321.9881.58229.0 1.621.6331.80828.5 1.202.1302.03428.0 1.501.7752.26027.5 1.801.4202.48627.0 1.381.9172.71226.5 1.681.5622.93826.0 1.262.0593.16425.5 1.561.7043.39025.0 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 黏聚力 /MPa 内摩擦角 / （ ） 方案 158 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 3位移反分析结果 Table 3Results of displacement back analysis 方案 实测位移/mm计算位移/mm 目标 函数值 /mm 顶板 下沉量 帮部 收敛量 顶板 下沉量 帮部 收敛量 1312.20100.05454.06105.95100.40 2312.20100.05393.34105.1357.49 3312.20100.05390.75103.1455.59 4312.20100.05348.20102.4225.51 5312.20100.05285.2185.6421.63 6312.20100.05320.6799.905.99 7312.20100.05300.4099.498.35 8312.20100.05304.9797.955.32 9312.20100.05284.7397.5819.50 10312.20100.05294.9896.2412.47 11312.20100.05274.5295.8826.81 MPa， 内摩擦角为 26.5。 3工程应用 深浅孔-高低压耦合注浆加固在王家岭煤矿 12322 工作面部分运输巷进行了实际应用， 在 1 030 m 水平 （1断面） 、 1 010 m 水平 （2断面） 、 970 m 水 平（3断面） 、 950 m 水平（4断面） 、 930 m 水平 （5 断面） 、 910 m 水平 （6断面） 、 890 m 水平 （7断面） 、 875 m 水平 （8断面） 等位置共布设 8 个监测断面进 行了位移监测， 其中 3断面～6断面为耦合注浆段。 12322 工作面运输巷与 12101 工作面运输巷尺寸大 小及地层围岩参数基本相同，但在监测期间， 12322 工作面尚未进行开采工作，不存在超前来压的扰动 影响， 巷道较为稳定， 故监测位移数值较小。 现将 12101 工作面运输巷耦合注浆加固围岩反 演的参数应用于 12322 工作面运输巷注浆段中， 利 用 FLAC3D对 12322 工作面运输巷帮部及顶板位移 进行预测计算，并将所得结果与监测的顶板累计下 沉量及帮部累计收敛量进行对比分析， 12322 工作 面运输巷围岩预测变形及监测变形如图 5。可以发 现，帮部位移的预测值与实际监测值比较接近； 由 于煤岩体的实际参数、顶板围岩的破碎状态以及注 浆的施工质量等略有差异，导致顶板位移的预测值 较为保守，远大于实际测量值，但对于现场工程来 说精度上基本满足要求，耦合注浆加固围岩反演的 参数得到了有效的应用。 4结语 1） 运用三维多孔弹性岩体注浆流固耦合模型对 比分析了普通注浆加固和深浅孔-高低压耦合注浆 加固的压力分布状态， 揭示了耦合注浆的作用机理， 即先通过浅孔-低压注浆为深孔-高压注浆提供稳 定的注浆施工条件， 再通过深孔-高压注浆对浅孔- 低压注浆进行复注补强， 2 个步骤相互耦合， 有效控 制了围岩的安全稳定。 2） 借助位移反分析法得出王家岭煤矿 12101 工 作面运输巷深浅孔-高低压耦合注浆加固后的围岩 参数，并将该参数应用于 12322 工作面运输巷帮部 及顶板位移的预测。通过与现场监测值相比较， 帮 部位移的预测值与实际值有较好的一致性，顶板位 移的预测值较为保守，但从工程应用方面基本验证 了所反演参数的合理性，为工程上研究或监测注浆 加固效果提供了新的方法和思路。 参考文献 ［1］ 侯朝炯.深部巷道围岩控制的有效途径 ［J］ .中国矿业 图 512322 工作面运输巷围岩预测变形及监测变形 Fig.5Forecast and monitoring deation of surrounding rock of belt roadway in 12322 working faces 159 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 大学学报， 2017， 46 （3） 467-473. ［2］ 孟庆彬， 钱唯， 韩立军， 等.软弱矿体中巷道围岩稳定 控制技术及应用 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2019， 36 （5） 906-915. ［3］ Yang R S, Xue H J, Guo D M，et al. 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