含不同預(yù)制裂隙相似試樣的注漿誘發(fā)劈裂裂隙擴(kuò)展規(guī)律研究

黃曉昇，張 超，程 成，趙亞婕

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054）

注漿技術(shù)在諸如水利、隧道、建筑、煤礦等眾多工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]，該技術(shù)可將漿液填充進(jìn)破裂巖體的裂隙中，使裂隙巖體的物理力學(xué)性能獲得大幅提升[4-6]。歐陽進(jìn)武[7]對(duì)穩(wěn)壓和脈動(dòng)注漿方式下的漿液擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓注漿擴(kuò)散距離更遠(yuǎn)；宗義江[8]采用承壓注漿加固系統(tǒng)對(duì)破裂巖樣進(jìn)行注漿加固，并對(duì)固結(jié)體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試研究；侯冰[9]通過真三軸水力壓裂試驗(yàn)平臺(tái)展開壓裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水平地應(yīng)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(yīng)力差異系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)泵壓和聲發(fā)射波動(dòng)與水力裂縫發(fā)育存在對(duì)應(yīng)關(guān)系；鐘祖良[11]對(duì)漿液在土石試樣中的擴(kuò)散機(jī)制及其影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含石量達(dá)到一定程度，漿液擴(kuò)散方式由劈裂變?yōu)闈B透；楊圣奇[12]通過單軸壓縮對(duì)含單個(gè)不同孔洞砂巖的裂紋發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含孔試樣強(qiáng)度較低，微震信號(hào)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(chǔ)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(kuò)展；趙揚(yáng)鋒[14]基于微震信號(hào)和電荷感應(yīng)信號(hào)變化情況，對(duì)含裂隙砂巖破裂前兆規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)砂巖強(qiáng)度隨裂隙傾角減小而降低；于利強(qiáng)[15]設(shè)置不同加載速率對(duì)含不同角度預(yù)制裂隙的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂隙發(fā)育主要受應(yīng)力變化影響；韓震宇[16]對(duì)單軸壓縮下含端部裂隙的巖體裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)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(yù)制裂隙等對(duì)小尺寸試樣裂隙發(fā)育規(guī)律的影響,而針對(duì)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(yù)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(yàn)平臺(tái)對(duì)含不同位置、角度和尺寸預(yù)制裂隙相似試樣的注漿誘發(fā)劈裂裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，為煤巖注漿工程的進(jìn)一步發(fā)展和完善提供了參考。

1 含預(yù)制裂隙相似試樣注漿劈裂試驗(yàn)

1.1 含預(yù)制裂隙相似試樣的制備

在注漿劈裂試驗(yàn)中，以沙子為骨料，水泥和石膏為膠結(jié)劑（沙子∶水泥∶石膏的配比為4∶1∶1），混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水制備煤巖相似試樣[17-18]。在相似試樣制備時(shí)，首先將上述原料充分混合，然后加入水。充分?jǐn)嚢韬?，將混合物倒入尺寸?00 mm×300 mm×300 mm（長(zhǎng)×寬×高）的模具中并壓實(shí)，制成相似試樣。在準(zhǔn)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(yù)制裂縫，預(yù)制裂隙參數(shù)見表1，各試樣制作2 組共18 個(gè)，1 組預(yù)制裂隙與注漿孔相交，另1 組不相交。此外，還預(yù)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(hù)28 d。相似試樣預(yù)制裂隙位置如圖1。

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

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

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)圖如圖2，進(jìn)行相似試樣注漿試驗(yàn)的物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)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(tái)。

圖2 注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Grouting simulation test platform

三維可視化注漿平臺(tái)，其優(yōu)勢(shì)在于平臺(tái)周圍的安全防護(hù)裝置采用高強(qiáng)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(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)，采用16 位A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，除了可直接對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，還可對(duì)劈裂裂縫進(jìn)行精準(zhǔn)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(jī)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(shè)為60 dB，聲發(fā)射系統(tǒng)的閾值參數(shù)設(shè)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(shè)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(jìn)行注漿。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 預(yù)制裂隙尺寸對(duì)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(yù)制裂隙尺寸對(duì)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(yù)制裂隙的作用下發(fā)生變化；隨著注漿作業(yè)的進(jìn)行，相似試樣注漿孔周圍壓力積聚、裂隙發(fā)育，劈裂裂隙擴(kuò)展到預(yù)制裂隙后，漿液填充預(yù)制裂隙；隨著注漿壓力的升高，預(yù)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(gè)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(dòng)、滲透軌跡?；跐{液的流動(dòng)、滲透軌跡，研究預(yù)制裂隙對(duì)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(dòng)軌跡可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)制裂隙的長(zhǎng)度和寬度較小時(shí)，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(jī)性，并且大部分注漿引起的劈裂裂隙未延伸到預(yù)制裂隙。50 mm×25 mm（長(zhǎng)×寬）的小尺寸預(yù)制裂隙對(duì)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(dòng)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(yù)制裂隙方向延伸，延伸到預(yù)制裂隙后，出現(xiàn)了不同大小的分支。說明100 mm×25 mm（長(zhǎng)×寬）的預(yù)制裂隙對(duì)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(dòng)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(yù)制裂隙處，而且在漿液填滿預(yù)制裂隙后產(chǎn)生壓力積聚，導(dǎo)致在預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)二次劈裂，二次劈裂沿預(yù)制裂隙的傾角向外發(fā)育。說明100 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬）預(yù)制裂隙的試樣，注漿誘發(fā)的劈裂裂隙的擴(kuò)展受到預(yù)制裂隙的顯著影響。

2.2 預(yù)制裂隙角度對(duì)注漿裂隙劈裂的影響

在對(duì)相似試樣進(jìn)行注漿劈裂試驗(yàn)時(shí)，影響劈裂裂隙發(fā)育方向的一個(gè)主要因素就是預(yù)制裂隙的角度。在預(yù)制裂隙尺寸較小時(shí)，初期劈裂趨勢(shì)往往與預(yù)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(huì)過早的產(chǎn)生偏移；預(yù)制裂隙尺寸較大時(shí)，劈裂裂隙往往可以順著傾角方向發(fā)育直至試樣失效。預(yù)制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結(jié)果見表2。

當(dāng)預(yù)制裂隙的尺寸足以影響注漿劈裂裂隙擴(kuò)展時(shí)，劈裂裂隙的發(fā)育方向會(huì)極大的受到預(yù)制裂隙角度的影響。這主要是因?yàn)椋涸谧{初期，注漿孔周在注漿壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一些注漿裂隙，裂隙的發(fā)育方向與試樣最小主應(yīng)力方向一致。隨著注漿進(jìn)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(yù)制裂隙后，漿液對(duì)預(yù)制裂隙進(jìn)行填充。待注漿壓力積累到一定程度后，會(huì)在預(yù)制裂隙的周圍產(chǎn)生二次劈裂。預(yù)制裂隙的傾角改變了巖石內(nèi)部最小主應(yīng)力的方向，使新產(chǎn)生的劈裂裂隙更容易沿預(yù)制裂隙的傾角發(fā)育。

表2 預(yù)制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結(jié)果Table 2 Results of grouting induced splitting fractures in materials containing prefabricated fractures with different angles

2.3 預(yù)制裂隙與注漿管位置對(duì)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(duì)應(yīng)圖如圖6。

由注漿孔與預(yù)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(jié)果（圖6（a））可知。在注漿壓力小于6.5 MPa 時(shí)，此時(shí)注漿壓力達(dá)不到相似試樣的起裂壓力，幾乎沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生；當(dāng)注漿壓力持續(xù)增大至6.5 MPa 時(shí)，泵壓上下波動(dòng)，注漿壓力出現(xiàn)反復(fù)積聚和釋放現(xiàn)象，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)迅速增多，注漿孔孔周開始出現(xiàn)劈裂裂隙，裂隙延伸方向?yàn)樵嚇幼钚≈鲬?yīng)力方向，直至與預(yù)制裂隙相貫通；下一階段為漿液填充階段，此時(shí)幾乎不產(chǎn)生新裂隙，因此聲發(fā)射信號(hào)較少；隨著漿液填滿裂隙，注漿壓力進(jìn)一步增加至7.5 MPa 時(shí)，試樣內(nèi)部產(chǎn)生新的劈裂裂隙，注漿壓力上下波動(dòng)，在此階段出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號(hào)；而后漿液進(jìn)一步填充至新產(chǎn)生的裂隙中，當(dāng)注漿壓力超過6.9 MPa，注漿劈裂達(dá)到裂隙擴(kuò)展階段，此時(shí)新產(chǎn)生的裂隙被漿液填滿，裂隙沿著應(yīng)力集中的方向擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)大量產(chǎn)生，直至裂隙發(fā)育、貫穿整個(gè)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(duì)應(yīng)圖Fig.6 AE event counts and mercury injection curves of PF60-100-25

PF60-100-25 注漿孔與預(yù)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(jié)果（圖6（b））可知，由于在試樣制作過程中便將預(yù)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(yù)制裂隙；當(dāng)注漿壓力達(dá)到7.7 MPa 后，沿預(yù)制裂隙傾角方向開始出現(xiàn)裂隙劈裂現(xiàn)象，此時(shí)進(jìn)入裂隙劈裂階段，注漿壓力上下波動(dòng)，在此階段出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號(hào)；隨著注漿過程的進(jìn)行，再次進(jìn)入漿液填充階段，此時(shí)由于不產(chǎn)生裂隙，因此聲發(fā)射信號(hào)較少；當(dāng)注漿壓力超過7.4 MPa，注漿劈裂達(dá)到裂隙擴(kuò)展階段，裂隙沿著應(yīng)力集中的方向擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)大量產(chǎn)生，直至裂隙發(fā)育、貫穿整個(gè)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(jié)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(jié)論：當(dāng)注漿孔與相似試樣預(yù)制裂隙不相交時(shí)，注漿過程分為4 個(gè)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(kuò)展階段；當(dāng)注漿孔與相似試樣預(yù)制裂隙相交時(shí)，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴(kuò)展3 個(gè)階段。

3 結(jié) 論

1）預(yù)制裂隙的尺寸對(duì)注漿裂隙劈裂有一定的影響，當(dāng)預(yù)制裂隙的長(zhǎng)、寬尺寸較小時(shí)，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(jī)性；隨著預(yù)制裂隙長(zhǎng)、寬尺寸的增大，周邊巖體強(qiáng)度變?nèi)?，注漿孔周圍的裂縫沿最小主應(yīng)力方向發(fā)育，逐漸朝預(yù)制裂縫的方向靠近，劈裂裂縫與預(yù)制裂縫相貫通后，漿液流入壓力積聚，沿著預(yù)制裂縫的傾角劈裂裂隙向外發(fā)育直至試樣破壞。

2）預(yù)制裂隙的預(yù)制角度，對(duì)相似試樣內(nèi)部的最小主應(yīng)力方向造成了影響。使新發(fā)育的劈裂裂隙更傾向沿著預(yù)制裂隙的角度向外發(fā)育。預(yù)制裂隙的角度對(duì)注漿裂隙劈裂的方向具有顯著影響，不同的預(yù)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(duì)相似試樣聲發(fā)射事件數(shù)與泵壓變化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，泵壓波動(dòng)與聲發(fā)射事件積聚相對(duì)應(yīng)，反映了注漿劈裂裂隙的擴(kuò)展過程。當(dāng)注漿孔與相似試樣預(yù)制裂隙不相交時(shí)，注漿過程分為4個(gè)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(kuò)展階段；當(dāng)注漿孔與相似試樣預(yù)制裂隙相交時(shí)，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴(kuò)展3個(gè)階段。