含不同預制裂隙相似試樣的注漿誘發(fā)劈裂裂隙擴展規(guī)律研究

黃曉昇，張 超，程 成，趙亞婕

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054）

注漿技術在諸如水利、隧道、建筑、煤礦等眾多工程領域中有著廣泛的應用[1-3]，該技術可將漿液填充進破裂巖體的裂隙中，使裂隙巖體的物理力學性能獲得大幅提升[4-6]。歐陽進武[7]對穩(wěn)壓和脈動注漿方式下的漿液擴散機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓注漿擴散距離更遠；宗義江[8]采用承壓注漿加固系統(tǒng)對破裂巖樣進行注漿加固，并對固結體的力學性質(zhì)進行了測試研究；侯冰[9]通過真三軸水力壓裂試驗平臺展開壓裂試驗，發(fā)現(xiàn)水平地應力差在一定范圍內(nèi)，水力裂隙容易貫通原始裂隙；范濛[10]通過觀察水力壓裂過程中壓裂液排量、垂向地應力差異系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)泵壓和聲發(fā)射波動與水力裂縫發(fā)育存在對應關系；鐘祖良[11]對漿液在土石試樣中的擴散機制及其影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)含石量達到一定程度，漿液擴散方式由劈裂變?yōu)闈B透；楊圣奇[12]通過單軸壓縮對含單個不同孔洞砂巖的裂紋發(fā)育規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)含孔試樣強度較低，微震信號集中于孔洞周圍；姜婷婷[13]根據(jù)水力裂隙的空間分布形態(tài)揭示了煤巖儲水層水利裂隙的發(fā)育規(guī)律，即水力裂隙傾向于層理薄弱處擴展；趙揚鋒[14]基于微震信號和電荷感應信號變化情況，對含裂隙砂巖破裂前兆規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)砂巖強度隨裂隙傾角減小而降低；于利強[15]設置不同加載速率對含不同角度預制裂隙的巖樣進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)裂隙發(fā)育主要受應力變化影響；韓震宇[16]對單軸壓縮下含端部裂隙的巖體裂紋擴展規(guī)律進行了研究，結果表明起裂裂隙一般為試樣破壞的主裂隙。上述研究分析了不同漿液黏度、注漿壓力、單變量預制裂隙等對小尺寸試樣裂隙發(fā)育規(guī)律的影響,而針對大尺寸、多變量影響下的裂隙劈裂規(guī)律研究較少.為此，制作了含不同預制裂隙的煤巖相似試樣，通過自主開發(fā)的相似試樣注漿物理模擬試驗平臺對含不同位置、角度和尺寸預制裂隙相似試樣的注漿誘發(fā)劈裂裂隙擴展規(guī)律進行了研究，為煤巖注漿工程的進一步發(fā)展和完善提供了參考。

1 含預制裂隙相似試樣注漿劈裂試驗

1.1 含預制裂隙相似試樣的制備

在注漿劈裂試驗中，以沙子為骨料，水泥和石膏為膠結劑（沙子∶水泥∶石膏的配比為4∶1∶1），混合質(zhì)量分數(shù)為10%的水制備煤巖相似試樣[17-18]。在相似試樣制備時，首先將上述原料充分混合，然后加入水。充分攪拌后，將混合物倒入尺寸為300 mm×300 mm×300 mm（長×寬×高）的模具中并壓實，制成相似試樣。在準備相似試樣的過程中，通過將紙板埋在相似試樣中指定位置來預制裂縫，預制裂隙參數(shù)見表1，各試樣制作2 組共18 個，1 組預制裂隙與注漿孔相交，另1 組不相交。此外，還預埋了使用鋼管制成的注漿管，該鋼管的外徑和內(nèi)徑統(tǒng)一，尺寸分別為12 和10 mm。制備完成后，將試樣靜置1 d，拆開模具，然后在常溫下養(yǎng)護28 d。相似試樣預制裂隙位置如圖1。

表1 預制裂隙參數(shù)Table 1 Prefabricated fracture parameters

圖1 相似試樣預制裂隙位置Fig.1 Similar sample prefabricated crack position

1.2 試驗系統(tǒng)

注漿模擬試驗平臺圖如圖2，進行相似試樣注漿試驗的物理模擬試驗平臺主要包括3 部分，分別為聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和三維可視化注漿平臺。

圖2 注漿模擬試驗平臺Fig.2 Grouting simulation test platform

三維可視化注漿平臺，其優(yōu)勢在于平臺周圍的安全防護裝置采用高強度鋼化玻璃材質(zhì)，在確保安全系數(shù)的情況下，解決了注漿過程可視效果較差的問題，可在注漿過程中實時監(jiān)控試樣情況。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則為PEIC-8 8 通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，采用16 位A/D 轉(zhuǎn)換技術，除了可直接對聲發(fā)射特征參數(shù)進行實時分析，還可對劈裂裂縫進行精準三維定位[19-21]。前置放大器、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀器和主機分析軟件為聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4 大組成部分。其中前置放大器的增益率設為60 dB，聲發(fā)射系統(tǒng)的閾值參數(shù)設為40 dB，采樣率為1 MSPS。注漿系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、注漿泵、注漿管、連接件等部分組成，注漿泵可在控制系統(tǒng)的設定下，將水灰比為2∶1的純水泥漿液，在20 mL/min 的恒定速率下進行注漿。

2 試驗結果

2.1 預制裂隙尺寸對注漿裂隙劈裂的影響

PF-50-25 的相似試樣注漿斷面圖如圖3，PF-100-25 的相似試樣注漿斷面圖如圖4，PF-100-50的相似試樣注漿斷面圖如圖5。

圖3 PF-50-25 的相似試樣注漿斷面圖Fig.3 Fracture surface of specimen PF-50-25

圖4 PF-100-25 的相似試樣注漿斷面圖Fig.4 Fracture surface of specimen PF-100-25

圖5 PF-100-50 的相似試樣注漿斷面圖Fig.5 Fracture surface of specimen PF-100-50

分析發(fā)現(xiàn)，預制裂隙尺寸對注漿誘發(fā)的裂隙劈裂規(guī)律有一定的影響：劈裂裂隙發(fā)育方向在預制裂隙的作用下發(fā)生變化；隨著注漿作業(yè)的進行，相似試樣注漿孔周圍壓力積聚、裂隙發(fā)育，劈裂裂隙擴展到預制裂隙后，漿液填充預制裂隙；隨著注漿壓力的升高，預制裂隙內(nèi)部再次發(fā)生裂隙劈裂；然后，劈裂裂隙不斷延伸，最終破碎試樣，形成一個穿透性的破裂面。觀察斷面，根據(jù)染色區(qū)域判斷漿液的流動、滲透軌跡?；跐{液的流動、滲透軌跡，研究預制裂隙對注漿誘發(fā)裂隙劈裂規(guī)律的影響。

觀察圖3 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發(fā)現(xiàn)，當預制裂隙的長度和寬度較小時，注漿引起的裂隙劈裂主要受樣品的非均質(zhì)性影響，并表現(xiàn)出一定的隨機性，并且大部分注漿引起的劈裂裂隙未延伸到預制裂隙。50 mm×25 mm（長×寬）的小尺寸預制裂隙對注漿誘發(fā)的劈裂裂隙發(fā)育造成的影響較小。

觀察圖4 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發(fā)現(xiàn)，該情況下，部分注漿誘發(fā)的劈裂裂隙向預制裂隙方向延伸，延伸到預制裂隙后，出現(xiàn)了不同大小的分支。說明100 mm×25 mm（長×寬）的預制裂隙對注漿誘發(fā)的劈裂裂隙產(chǎn)生一定程度上的影響。

觀察圖5 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發(fā)現(xiàn)，該情況下，注漿誘發(fā)的劈裂裂隙不但延伸到了預制裂隙處，而且在漿液填滿預制裂隙后產(chǎn)生壓力積聚，導致在預制裂隙尖端出現(xiàn)二次劈裂，二次劈裂沿預制裂隙的傾角向外發(fā)育。說明100 mm×50 mm（長×寬）預制裂隙的試樣，注漿誘發(fā)的劈裂裂隙的擴展受到預制裂隙的顯著影響。

2.2 預制裂隙角度對注漿裂隙劈裂的影響

在對相似試樣進行注漿劈裂試驗時，影響劈裂裂隙發(fā)育方向的一個主要因素就是預制裂隙的角度。在預制裂隙尺寸較小時，初期劈裂趨勢往往與預制裂隙傾角方向保持一致，但劈裂裂隙往往還未完全貫穿試樣，就會過早的產(chǎn)生偏移；預制裂隙尺寸較大時，劈裂裂隙往往可以順著傾角方向發(fā)育直至試樣失效。預制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結果見表2。

當預制裂隙的尺寸足以影響注漿劈裂裂隙擴展時，劈裂裂隙的發(fā)育方向會極大的受到預制裂隙角度的影響。這主要是因為：在注漿初期，注漿孔周在注漿壓力的作用下，會產(chǎn)生一些注漿裂隙，裂隙的發(fā)育方向與試樣最小主應力方向一致。隨著注漿進行，出現(xiàn)在注漿孔附近的劈裂裂隙快速發(fā)育，直至延伸到預制裂隙后，漿液對預制裂隙進行填充。待注漿壓力積累到一定程度后，會在預制裂隙的周圍產(chǎn)生二次劈裂。預制裂隙的傾角改變了巖石內(nèi)部最小主應力的方向，使新產(chǎn)生的劈裂裂隙更容易沿預制裂隙的傾角發(fā)育。

表2 預制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結果Table 2 Results of grouting induced splitting fractures in materials containing prefabricated fractures with different angles

2.3 預制裂隙與注漿管位置對裂隙劈裂的影響

PF60-100-25 試樣聲發(fā)射事件數(shù)與泵壓曲線對應圖如圖6。

由注漿孔與預制裂隙不相交試樣注漿過程中聲發(fā)射事件數(shù)隨泵壓變化的結果（圖6（a））可知。在注漿壓力小于6.5 MPa 時，此時注漿壓力達不到相似試樣的起裂壓力，幾乎沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生；當注漿壓力持續(xù)增大至6.5 MPa 時，泵壓上下波動，注漿壓力出現(xiàn)反復積聚和釋放現(xiàn)象，此時聲發(fā)射信號迅速增多，注漿孔孔周開始出現(xiàn)劈裂裂隙，裂隙延伸方向為試樣最小主應力方向，直至與預制裂隙相貫通；下一階段為漿液填充階段，此時幾乎不產(chǎn)生新裂隙，因此聲發(fā)射信號較少；隨著漿液填滿裂隙，注漿壓力進一步增加至7.5 MPa 時，試樣內(nèi)部產(chǎn)生新的劈裂裂隙，注漿壓力上下波動，在此階段出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號；而后漿液進一步填充至新產(chǎn)生的裂隙中，當注漿壓力超過6.9 MPa，注漿劈裂達到裂隙擴展階段，此時新產(chǎn)生的裂隙被漿液填滿，裂隙沿著應力集中的方向擴展，聲發(fā)射信號大量產(chǎn)生，直至裂隙發(fā)育、貫穿整個試件，漿液從試件表面流出，裂隙最終形態(tài)沿注漿孔軸線方向?qū)ΨQ分布。

圖6 PF60-100-25 試樣聲發(fā)射事件數(shù)與泵壓曲線對應圖Fig.6 AE event counts and mercury injection curves of PF60-100-25

PF60-100-25 注漿孔與預制裂隙相交試樣注漿過程中聲發(fā)射事件數(shù)隨泵壓變化的結果（圖6（b））可知，由于在試樣制作過程中便將預制裂隙與注漿孔相交，因此該試樣注漿過程中沒有劈裂貫通階段。注漿作業(yè)開始后，漿液直接填充預制裂隙；當注漿壓力達到7.7 MPa 后，沿預制裂隙傾角方向開始出現(xiàn)裂隙劈裂現(xiàn)象，此時進入裂隙劈裂階段，注漿壓力上下波動，在此階段出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號；隨著注漿過程的進行，再次進入漿液填充階段，此時由于不產(chǎn)生裂隙，因此聲發(fā)射信號較少；當注漿壓力超過7.4 MPa，注漿劈裂達到裂隙擴展階段，裂隙沿著應力集中的方向擴展，聲發(fā)射信號大量產(chǎn)生，直至裂隙發(fā)育、貫穿整個試件，漿液從試件表面流出。

由PF60-100-50 2 種試樣聲發(fā)射事件數(shù)隨泵壓變化結果與PF60-100-25 2 種試樣相類似。通過上述分析可以得出以下結論：當注漿孔與相似試樣預制裂隙不相交時，注漿過程分為4 個階段，分別為劈裂貫通階段、漿液填充階段、裂隙劈裂階段、劈裂擴展階段；當注漿孔與相似試樣預制裂隙相交時，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴展3 個階段。

3 結 論

1）預制裂隙的尺寸對注漿裂隙劈裂有一定的影響，當預制裂隙的長、寬尺寸較小時，注漿誘發(fā)的裂隙劈裂主要受相似試樣不均勻性的影響，并呈現(xiàn)出一定的隨機性；隨著預制裂隙長、寬尺寸的增大，周邊巖體強度變?nèi)?，注漿孔周圍的裂縫沿最小主應力方向發(fā)育，逐漸朝預制裂縫的方向靠近，劈裂裂縫與預制裂縫相貫通后，漿液流入壓力積聚，沿著預制裂縫的傾角劈裂裂隙向外發(fā)育直至試樣破壞。

2）預制裂隙的預制角度，對相似試樣內(nèi)部的最小主應力方向造成了影響。使新發(fā)育的劈裂裂隙更傾向沿著預制裂隙的角度向外發(fā)育。預制裂隙的角度對注漿裂隙劈裂的方向具有顯著影響，不同的預制裂隙角度影響甚至決定著劈裂裂隙的發(fā)育方向。

3）通過對相似試樣聲發(fā)射事件數(shù)與泵壓變化曲線進行分析可以發(fā)現(xiàn)，泵壓波動與聲發(fā)射事件積聚相對應，反映了注漿劈裂裂隙的擴展過程。當注漿孔與相似試樣預制裂隙不相交時，注漿過程分為4個階段，分別為劈裂貫通階段、漿液填充階段、裂隙劈裂階段、劈裂擴展階段；當注漿孔與相似試樣預制裂隙相交時，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴展3個階段。