注漿理論研究現(xiàn)狀及展望

李浩++文杰

摘 要：本文介紹了注漿理論的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了注漿對巷道圍巖加固機(jī)理的研究，并總結(jié)了目前常用的巷道圍巖注漿材料，簡單介紹了國內(nèi)外在注漿方面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，針對現(xiàn)有研究提出了理論上的不足之處，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：注漿理論 裂隙 注漿材料 注漿試驗(yàn)

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0105-02

隨著煤礦開采的深度和范圍的不斷增加，復(fù)雜困難巷道越來越多，巷道變形破壞越來越嚴(yán)重。井下巷道注漿加固技術(shù)在巷道維修的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來，注漿加固技術(shù)與巷道支護(hù)技術(shù)一樣成了巷道圍巖的控制有效途徑。

1 注漿理論發(fā)展概況

注漿技術(shù)是巖土工程及礦山井巷工程施工中常用的施工方法，主要作用是堵水和加固。1864年英國就已經(jīng)使用水泥注漿的方式進(jìn)行井筒的注漿堵水。近幾十年來巖土注漿理論發(fā)展較快，成果主要集中在巖土介質(zhì)中漿液流動規(guī)律及巖土體的可注性，裂隙充填物對流動和圍巖穩(wěn)定性的影響，平面裂隙接觸面積對裂隙滲透性的影響，仿天然巖體的裂隙滲流實(shí)驗(yàn)等方面。目前應(yīng)用較多的仍然以滲透注漿理論和劈裂注漿理論為主[1]。

1.1 滲透注漿理論

滲透注漿是通過注漿泵提供的壓力使?jié){液滲透到巖土體的孔隙或裂隙中，待漿液凝固后起到加固和防滲作用。國內(nèi)外學(xué)者對該理論進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，基于滲透理論提出了不同的漿液擴(kuò)散理論，其中廣為接受的有球形擴(kuò)散理論、柱形擴(kuò)散滲透理論以及袖套管法理論。

1.2 劈裂注漿理論

劈裂注漿理論認(rèn)為，高壓漿液會在巖土體的孔隙或裂隙中流動并使孔隙或裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大、延長，產(chǎn)生劈裂面，漿液便沿此劈裂面，漿液固結(jié)后形成骨架。

2 注漿加固巷道機(jī)理研究現(xiàn)狀

國內(nèi)眾多學(xué)者通過巷道注漿加固工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室的研究，總結(jié)出注漿加固巷道圍巖的機(jī)理有以下內(nèi)容。

2.1 提高和改善破碎圍巖的強(qiáng)度和力學(xué)狀態(tài)

對于松動圈大于1.5 m的巷道，其圍巖較為破碎，易產(chǎn)生較大的變形量。這類破碎圍巖一般處于殘余強(qiáng)度階段，承載能力較差，注入漿液后形成的固結(jié)體具有較大的粘結(jié)力，可明顯提高碎脹巖體的承載能力和抗變形能力。未注漿前，圍巖的強(qiáng)度由不連續(xù)面控制，強(qiáng)度和剛度均較低，注漿后圍巖的強(qiáng)度一般由巖石控制，強(qiáng)度提高，圍巖維護(hù)狀況得到較大改善。

2.2 充填壓密裂隙

高壓漿液在滲透進(jìn)一些巖體裂隙的同時，其高壓作用也會對一些未充填裂隙進(jìn)行擠壓，使原有裂隙減小或閉合，提高圍巖在受荷載作用時承載力和抗變形能力。根據(jù)格里菲斯理論，受荷巖體會在其內(nèi)部裂隙尖端部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，集中應(yīng)力會使裂隙持續(xù)延伸發(fā)展，最終導(dǎo)致巖體的破壞，注漿后裂隙會被填充，減小甚至消除裂隙端部的應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)制，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性[2]。

2.3 注漿封閉作用

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，水對圍巖強(qiáng)度影響較大，一般情況下含水率越高，圍巖強(qiáng)度越低，當(dāng)巖體含粘土礦物較高時，這種影響愈加明顯；對于膨脹性軟巖，水的存在直接決定著圍巖的強(qiáng)度和變形。對圍巖注漿后，地下水的滲流通道被隔絕，可有效減小水對圍巖的影響。

2.4 強(qiáng)化組合拱結(jié)構(gòu)的承載能力

注漿層與錨桿索形成的平衡拱可以形成多層組合拱共同作用，并且可以將支護(hù)體內(nèi)錨桿由端錨轉(zhuǎn)變?yōu)槿L錨固，提高錨桿的錨固力。如圖1所示，注漿后噴網(wǎng)層形成一層拱，預(yù)應(yīng)力錨桿形成的壓力錐與圍巖形成一層拱，最外側(cè)注漿層也形成一層拱，這些拱既能夠獨(dú)自承載圍巖變形，又能夠共同作用，維護(hù)巷道的穩(wěn)定性[3]。

2.5 限制圍巖深部塑性區(qū)發(fā)展

對于修復(fù)巷道，圍巖較為破碎，巖體依靠殘余強(qiáng)度提供承載力，注漿后破碎圍巖形成整體，應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)，提高加固體的承載能力。同時加固后的圍巖會對深部圍巖形成約束作用，使得深部圍巖受力狀態(tài)為三向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖強(qiáng)度提高，限制圍巖塑形區(qū)的發(fā)展，保證巷道深部圍巖有足夠的承載力，巷道圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)[4～6]。

3 注漿材料研究現(xiàn)狀

目前，專門針對巷道圍巖研發(fā)的注漿材料不多，同時巷道的服務(wù)年限較為有限，大量使用高性能的注漿材料不夠經(jīng)濟(jì)，因此目前巷道注漿加固材料一般采用價格較為低廉的水泥類材料，而其性能則通過添加外加劑的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，注漿材料性能主要是其可注性和固化后的強(qiáng)度[7～8]。

目前常用的水泥類注漿材料可分為三類：

（1）普通水泥類注漿材料：這種注漿材料顆粒較大，可注性差，固結(jié)時間太長，不能及時限制圍巖的變形，在長距離管道運(yùn)輸或固結(jié)過程中會出現(xiàn)離析現(xiàn)象，無法達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度。但是這種注漿材料來源廣泛、較為經(jīng)濟(jì)，還可以使用外加劑一定程度上提升其性能，故目前被廣泛采用。

（2）超細(xì)水泥類注漿材料[9]：基于上述普通水泥注漿材料的缺點(diǎn)，特別是針對某些新掘巷道。其圍巖裂隙較較小，普通水泥的可注性難以滿足其要求，故研究出了超細(xì)水泥基注漿材料。超細(xì)水泥可注性較好，具有化學(xué)漿材的優(yōu)點(diǎn)的同時且對環(huán)境無污染。目前超細(xì)水泥的滲透機(jī)理仍處于研究階段，國際上對超細(xì)水泥的劃分標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各國超細(xì)水泥劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

（3）高水速凝材料：高水速凝材料是近年來新出現(xiàn)的一種水泥類注漿材料，凝結(jié)速度快，水灰比可調(diào)性好，在較高的水灰比條件下也能夠固結(jié)而不離析，漿液流動性好，可注性好，漿液固結(jié)后有較好的塑性，且成本不高，是一種性能較為優(yōu)良的新型注漿材料。

4 注漿試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

注漿試驗(yàn)多結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)開展，主要研究注漿參數(shù)及其影響因素之間的關(guān)系，國內(nèi)外常用的有平板式、圓管式、槽式模擬實(shí)驗(yàn)臺，通過調(diào)節(jié)裂隙張開度、長度、粗糙度等參數(shù)研究滲流規(guī)律，分析注漿參數(shù)等。注漿參數(shù)研究對象主要有漿液擴(kuò)散半徑R、注漿壓P、注漿量Q和凝結(jié)時間T等，影響因素主要有被注巖土的滲透率k、漿液初始粘度μ0、注漿時間t等。國內(nèi)外較著名的注漿參數(shù)模擬試驗(yàn)有：無水多孔介質(zhì)滲透試驗(yàn)、裂隙巖體的滲透注漿試驗(yàn)、動水條件下堵水試驗(yàn)、飽和多孔介質(zhì)滲透試驗(yàn)、滲透注漿中的顆粒過濾性試驗(yàn)、多孔介質(zhì)注漿模擬試驗(yàn)、漿液粘度對壓力分布影響的試驗(yàn)、靜水條件下的驅(qū)水試驗(yàn)、砂卵（礫）石層中注漿模擬試驗(yàn)研究以及注漿滲透性模擬試驗(yàn)等。

5 問題與展望

由于巖土體的復(fù)雜性和注漿工程的隱蔽性，注漿理論的研究進(jìn)行難度極大，目前，注漿的理論研究水平嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐和注漿材料的發(fā)展?，F(xiàn)有的關(guān)于注漿的學(xué)術(shù)成果中，局限于介紹施工工藝過程和注漿效果，較少從理論分析的角度進(jìn)行研究，現(xiàn)有結(jié)論也已宏觀和感性認(rèn)識為主，缺乏具體的、定量的測試分析。故未來細(xì)觀、微觀層次上的研究是注漿理論研究的重點(diǎn)。

由于模擬條件與實(shí)際地層結(jié)構(gòu)有較大差距，裂隙、空隙狀態(tài)參數(shù)、介質(zhì)粒度等模擬參數(shù)均與實(shí)際條件難以吻合，而且常常僅能模擬單一裂隙，因此，模擬出的漿液流動特征及其規(guī)律與實(shí)際情況相差較大，今后的發(fā)展方向是進(jìn)一步仿真模擬，以縮小這種差距，指導(dǎo)具體的注漿工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

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[9] 張農(nóng).巷道滯后注漿圍巖控制理論與實(shí)踐[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.endprint