针对复杂条件下大断面软弱煤帮巷道支护中出现的诸多难题,本文依托国家自然科学基金项目“大断面巷道快速掘进与支护基础”和中国矿业大学(北京)博士研究生拔尖创新人才培育基金项目“软弱煤岩实验室注浆试验”,以山西曙光煤业二采区轨道巷软弱煤帮支护为研究背景,基于实验室试验、数值模拟、理论分析和现场试验,对大断面软弱煤帮巷道注浆体力学特性与控制技术进行研究,主要研究成果如下。(1)曙光煤业二采区围岩地质力学评价及大断面软弱煤帮巷道支护对策研究实验室试验得出,曙光煤业二采区轨道帮部煤层松软,顶、底板泥岩强度不高,且富含伊利石/蒙脱石混层、伊利石和高岭石等粘土矿物,巷道顶、底板围岩属于强膨胀性软岩。现场地应力测试结果表明,曙光煤业二采区地应力场以自重应力为主导,最大主应力方向与垂直面夹角为5°,接近于垂直方向,应力值为14.35MPa;中间主应力方向与水平面夹角为2.84°,应力值为12.80MPa;最小主应力方向与水平面夹角为4°,应力值为8.92MPa;中间主应力、最小主应力方向基本与最大主应力相垂直。声波法、窥视法测试围岩松动圈结果表明,曙光煤业二采区轨道巷顶板围岩松动圈范围为2.0-2.2m,帮部围岩松动圈范围为2.3-2.8m,属于典型大松动圈,且帮部2#煤层整体较为破碎。根据工程概况、围岩物理力学特性、围岩矿物成分含量、巷道地应力大小、围岩松动破坏范围等得出,曙光煤业二采区轨道巷属于大断面软弱煤帮巷道,分析了其围岩变形破坏机制和加固支护原则,并提出了大断面软弱煤帮巷道局部深、浅孔注浆与锚索联合加固支护技术。(2)大断面软弱煤帮巷道围岩实验室注浆试验及微细观特性研究通过测试18种不同水灰比、膨润土比例的PO42.5普通硅酸盐水泥浆液和36种不同水灰比、膨润土比例的比表面积为800m2/g的超细水泥浆液的析水率和浆液固结体单轴抗压强度得出,水灰比1:0.6、膨润土比例为水泥重量4%、比表面积为800m2/g的超细水泥浆液,析水率为6%,养护28d后浆液固结体单轴抗压强度为8.87MPa,满足实验室对曙光煤业二采区轨道巷破坏煤层等效试件的注浆要求。自主研发了MYZJ-2型实验室液压注浆系统,可进行直径0-55mm、高度0-200mm试件实验室注浆试验,注浆压力范围为0-6MPa,实现了不同注浆压力环境下标准试件注浆试验及相关研究。采用优化配比浆液和自主研发的液压注浆系统,对曙光煤业二采区轨道巷破坏煤层等效试件进行实验室注浆试验,研究结果表明,依靠浆液对试件多个交叉裂隙的固结,试件强度得到一定程度恢复和提高,且在0-2mpa范围内,随着注浆压力增大,注浆试件峰值强度和峰后残余强度不断增大;注浆压力0.5mpa、1.0mpa、1.5mpa、2.0mpa时,注浆试件峰后残余强度较注浆前分别提高约23.8%、50%、60.9%、73.9%;注浆后试件由线弹性材料转化为弹塑性材料,进而转化为近理想塑性材料,试件抗承载能力增强,注浆效果良好。注浆前后破坏煤层等效试件ct扫描图像、裂隙分形维数计算结果和sem电镜扫描图像表明,完好煤层试件受压破坏后,试件内部产生了许多细观裂隙,断口形貌呈明显的河流状脆性断裂特性;注浆后,试件裂隙基本被浆液充填,恢复了试件完整性,在0-2mpa范围内,随着注浆压力增大,试件注浆后裂隙分形维数不断减小;注浆压力0.5mpa、1.0mpa、1.5mpa、2.0mpa时,试件注浆后裂隙分形维数较注浆前分别减小约19.27%、18.05%、23.58%、24.16%;注浆试件受压破坏后,断口表面基本被超细水泥完全附着,且与煤颗粒相互胶结在一起,断口形貌未出现明显脆性断裂特性,改变了煤层试件脆性破坏特性。注浆后破坏煤层等效试件裂隙面与浆液之间产生了一定粘结力,加载受力后,注浆试件破坏区主要为注浆加固区,试件破裂机理没有改变。(3)大断面软弱煤帮巷道注浆加固围岩稳定性数值模拟研究在原支护条件下,曙光煤业二采区轨道巷围岩移近量较大,巷道底板浅部围岩出现塑性拉伸破坏,巷道浅部围岩和两帮深部围岩均出现塑性剪切破坏,混凝土喷层和锚杆(索)受力均超过其极限承载范围,巷道围岩支护强度严重不足。对巷道松动圈范围内围岩进行注浆加固,围岩变形得到了明显控制。巷道采用全断面注浆加固效果最佳、采用帮部注浆加固效果次之、采用顶板注浆加固效果最次,其中采用帮部注浆加固效果与采用全断面注浆方式相差较小。巷道帮部破碎煤体是巷道围岩最薄弱点,对巷道帮部围岩注浆加固,能使破碎煤体形成整体,提高煤体承载能力,而且能有效支撑巷道顶板载荷,对控制巷道顶、底板围岩变形有很好的作用。故在保证巷道安全前提下,为节约加固支护成本,宜采用帮部注浆加固方式对巷道松动圈范围内围岩进行加固支护。在巷帮浅部破碎围岩注浆加固基础上,对巷帮深部不同深度塑性破坏煤体进行注浆和锚索加固支护,巷道围岩变形得到进一步控制。在注浆深度2-10m范围内,随着注浆深度增加,巷道围岩变形呈先减小后增大趋势,当巷道深部注浆深度为4-6m时,能最大程度控制巷道围岩移近量,并得到了巷道深部围岩注浆深度与围岩两帮移近量、顶板下沉量关系式。巷帮深部注浆对塑性区范围内煤体进行加固,使锚索在煤体和周边围岩中获得有效拉力点,较好发挥锚索高强抗拉作用,减少巷道围岩变形。基于数值模拟和大断面软弱煤帮巷道支护对策研究结果,提出采用巷道帮部深、浅孔注浆与锚索联合加固支护曙光煤业二采区轨道巷。采用巷道帮锚索+两帮注浆加固支护方式时,巷道两帮移近量、顶板下沉量、底板臌起量分别较巷道采用原支护方式减小约70.5%、40.2%、24.5%,巷道两帮、顶板、底板塑性区最大厚度分别为2.50m、0.88m、2.21m,混凝土喷层和锚杆(索)受力均未超过其极限承载范围,巷道围岩变形被有效控制;采用巷道帮锚索+右帮注浆加固支护方式时,巷道两帮移近量、顶板下沉量、底板臌起量分别较巷道采用原支护方式减小约41.3%、14.3%、13.3%,巷道左帮、右帮、顶板、底板塑性区最大厚度分别为3.88m、2.60m、1.32m、2.65m,混凝土喷层和锚杆(索)受力均超过其极限承载范围,锚杆(索)可能被拉断或剪断,巷道左帮煤体变形没有被有效控制。(4)大断面软弱煤帮巷道围岩注浆结构体力学特性研究通过分析锚杆、锚索、巷道软弱煤帮注浆前后围岩应力-应变曲线和破坏过程得出,a3钢锚杆破断过程、巷道软弱煤帮注浆前后围岩本构模型均可近似为由弹性元件和塑性元件串联组成的圣维南体,即理想弹塑性体;左旋预应力钢绞线锚索本构模型可近似为由单个弹性元件构成的胡克体,即理想弹性体。通过分析巷道开挖后软弱煤帮围岩与帮锚杆在巷道切向载荷作用下应力-应变的4个过程,得出巷道软弱煤帮松动圈范围内围岩与支护体本构模型和本构方程。通过分析软弱煤帮巷道浅部松动圈范围和深部塑性破坏范围内煤体注浆、补打煤体原支护中已破断和失效的锚杆、施工帮部锚索加固支护作用得出,软弱煤帮注浆后围岩、补打锚杆和加固支护锚索在巷道切向载荷作用下,应力-应变过程主要分为2段,并进一步分析得出巷道软弱煤帮注浆后围岩与支护体本构模型和本构方程。(5)大断面软弱煤帮巷道注浆加固技术现场应用研究结合以上研究,曙光煤业二采区大断面软弱煤帮轨道巷采用了2种注浆加固支护方式,分别为巷道帮锚索+两帮注浆加固支护、巷道帮锚索+右帮注浆加固支护。矿压监测结果表明,巷道注浆加固后围岩变形情况得到明显改善,采用两帮注浆方式的巷道两帮、顶底围岩移近量较一帮注浆方式分别减小约50%和30%,较巷道原支护方式分别减小约85%和80%;采用两帮注浆方式的巷道顶板围岩离层量较一帮注浆方式减小约60%。声波法和窥视法测试围岩松动圈范围表明,采用帮锚索+右帮注浆加固支护方式后,巷道左帮、右帮、顶板围岩松动圈范围分别为2.5-2.7m、1.5-1.7m、1.1-1.3m;采用帮锚索+两帮注浆加固支护方式后,巷道左帮、右帮、顶板围岩松动圈范围分别为1.5-1.7m、1.3-1.5m、0.6-0.8m。软弱煤帮注浆加固支护使巷道原来破碎煤层形成整体,减小了巷道围岩松动圈范围,提高了煤体承载能力,改善了煤体内部应力条件,减轻巷道顶板承载压力,而且较巷道全断面注浆能有效节约注浆加固成本、加快施工速度;深、浅孔注浆与锚索联合加固支护方式对巷道浅部围岩实现封闭,防止漏浆,使锚索在深部围岩中获得拉力点,有效控制了巷道移近量和离层量,保证了巷道围岩稳定性。