裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張培森，李騰輝，趙成業(yè)，侯季群

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

目前，我國(guó)淺部煤炭資源已經(jīng)枯竭，煤炭開(kāi)采趨向深部。隨著開(kāi)采深度的增加，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，在開(kāi)采過(guò)程中常遇到不良的地質(zhì)體，巖體初始地應(yīng)力狀態(tài)在工程擾動(dòng)下極易發(fā)生改變，導(dǎo)致巖體內(nèi)部裂隙極易出現(xiàn)擴(kuò)展并相互貫通，進(jìn)而造成工程巖體失穩(wěn)[1-3]，嚴(yán)重威脅工程建設(shè)的安全，加之地下高壓水的影響，裂隙開(kāi)度容易擴(kuò)張變大，最終引發(fā)透水及淹井事故的發(fā)生。工程中一般采用注漿的方法對(duì)巖體進(jìn)行加固治理[4-6]，注漿加固室內(nèi)模擬試驗(yàn)是研究巖體注漿加固的有效方法，具有其獨(dú)特的優(yōu)越性[7-10]。

1 注漿加固試驗(yàn)裝置研究現(xiàn)狀

楊米加[11-13]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了單裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬注漿試驗(yàn)，研究了在不同的注漿壓力和水灰比對(duì)漿液滲流規(guī)律影響；王漢鵬、牛學(xué)良等[14，15]研制了耐高壓活塞式注漿試驗(yàn)儀，可以實(shí)現(xiàn)高壓條件下的巖石注漿加固；李仕杰等[16]研究了一套破壞巖體注漿系統(tǒng)，通過(guò)高壓將化學(xué)漿液壓如裂隙中，取得了一定的試驗(yàn)成果，但不適用于傳統(tǒng)的水泥漿液注漿；張家齊等[17]研究了一種新型綜合注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)，并在內(nèi)部布設(shè)傳感器，滿足了注漿加固過(guò)程的力學(xué)分析；李召峰等[18，19]研制了一套富水破碎灰?guī)r的注漿加固試驗(yàn)裝置，并對(duì)注漿加固效果的影響因素進(jìn)行了研究，取得了一定成效。現(xiàn)有的注漿設(shè)備研究大都建立在單一裂隙和牛頓流體穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工制造，很難反映真實(shí)的地下注漿過(guò)程，且注漿試驗(yàn)裝置主要是針對(duì)完全破碎巖體或碎石進(jìn)行的注漿加固試驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于巖體內(nèi)微小裂隙的注漿加固試驗(yàn)研究。

2 新型注漿加固系統(tǒng)的研制

2.1 主要的設(shè)計(jì)目的

為了解決注漿理論與實(shí)際工程中存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂隙巖體的注漿加固模擬研究，直觀、便利、科學(xué)的解決實(shí)際注漿工程中的困難，為地下復(fù)雜巖體注漿工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，防止僅憑經(jīng)驗(yàn)性施工而帶來(lái)的高額成本，從而達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 主要的系統(tǒng)組成

1)液壓泵送裝置：采用手動(dòng)/電動(dòng)注漿加壓裝置，在配套的儲(chǔ)漿罐內(nèi)注入漿液，通過(guò)手動(dòng)/電動(dòng)加壓裝置加至所需壓力。

2)漿液輸送設(shè)備：漿液輸送設(shè)備主要包括高壓注漿管，連接處為?12mm鋼管，焊接在儲(chǔ)漿罐頂端。

3)注漿加固試驗(yàn)裝置：注漿加固試驗(yàn)裝置為該套系統(tǒng)的核心組成部分，是集裝載試樣，密封，圍壓加載于一體的模擬注漿裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 注漿加固試驗(yàn)裝置

注漿加固試驗(yàn)裝置底板承壓臺(tái)尺寸為?250mm×H20mm；底板承壓臺(tái)下端設(shè)置四根?20mm×H100mm的支柱；在底板承壓臺(tái)底端設(shè)置注漿口，注漿口口徑為?12mm，可外接管路，在注漿口安置閥門(mén)開(kāi)關(guān)和壓力表，控制漿液的進(jìn)出；在底板承壓臺(tái)內(nèi)部開(kāi)外徑136mm、內(nèi)徑126mm的凹槽，凹槽內(nèi)部設(shè)有密封圈，用以放置透明耐壓罩；下端壓頭管口與注漿孔相連接，壓頭上端尺寸為?50mm，下端尺寸為?72mm，在距離壓頭上端5mm處開(kāi)凹槽，放置密封圈；上端壓頭與下端壓頭對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)；壓頭上端放置?50mm×H5mm的導(dǎo)流片，用以分流漿液，試漿液在底端分布均勻；底板承壓臺(tái)與頂板承壓臺(tái)通過(guò)四根?20mm×H350mm的圓柱連接，在圓柱上設(shè)有螺紋，便于調(diào)節(jié)頂板承壓臺(tái)的高度和緊固頂板承壓臺(tái)；在上下壓頭之間放置巖樣，巖樣外側(cè)由耐高壓密封套包裹，并在密封套上下端各設(shè)置一個(gè)不銹鋼卡箍圈，用于密封巖樣；外側(cè)設(shè)有?136mm×300mm的耐高壓罩，放置在底板承壓臺(tái)凹槽內(nèi)，同時(shí)放置頂板承壓臺(tái)，并用螺絲緊固，形成封閉的圍壓室；頂板承壓臺(tái)上端設(shè)置有圍壓壓力表、注水口、卸壓閥門(mén)和排漿/抽漿口，其中排漿/抽漿口處設(shè)置有閥門(mén)控制開(kāi)關(guān)和壓力表。

4)圍壓加載裝置：圍壓加載裝置采用自動(dòng)加壓水泵(可提供最大壓力為6MPa)，試樣裝載完成后安裝透明耐壓罩(能承受4MPa的徑向壓力)，通過(guò)注水口加滿水后，由加壓水泵提供試驗(yàn)所需圍壓值。

5)抽漿裝置：抽漿裝置主要由真空泵和漿液儲(chǔ)存罐組成，用耐高壓軟管將注漿加固裝置與抽漿裝置連接。

2.3 注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)的裝配連接及使用方法

該注漿加固系統(tǒng)的裝配連接方式為液壓泵送裝置通過(guò)液壓油管與儲(chǔ)漿罐相連接，儲(chǔ)漿罐通過(guò)耐高壓注漿軟管與注漿加固試驗(yàn)裝置的底端注漿口相連接，注漿加固試驗(yàn)裝置的頂端抽漿口通過(guò)耐壓軟管與外部漿液儲(chǔ)存罐的一端接口相連接，同時(shí)漿液儲(chǔ)存罐的另一端接口與抽真空泵通過(guò)耐壓軟管相連接；注漿加固試驗(yàn)裝置的頂端注水口通過(guò)耐壓軟管與加壓水泵相連接，形成一套完整的注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 新型裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固系統(tǒng)

使用方法：將通過(guò)單軸或三軸破壞的試件放入到注漿加固試驗(yàn)裝置的底端壓頭上，在試件的底端和頂端各放一個(gè)導(dǎo)流片，套上耐壓橡膠套，并將頂端壓頭放置在頂端導(dǎo)流片上，使其與巖樣完全接觸，用不銹鋼卡箍圈緊固橡膠套，保證試件在內(nèi)部完全密封，將透明耐壓罩放置在試驗(yàn)裝置的卡槽內(nèi)，然后用緊固螺絲將頂板承壓臺(tái)緊固。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵送裝置的開(kāi)關(guān)，將儲(chǔ)漿罐內(nèi)活塞退至儲(chǔ)漿罐尾端。將裝置連接好后進(jìn)行密封性測(cè)試，在儲(chǔ)漿罐內(nèi)注滿水，打開(kāi)注漿口和排漿口閥門(mén)，采用自動(dòng)加壓泵將壓力設(shè)置為0.3MPa，待排漿口有水穩(wěn)定排出后，關(guān)閉注漿口和排漿口閥門(mén)，靜置30min，觀察注漿口和出漿口壓力表數(shù)值無(wú)明顯變化，說(shuō)明密封性良好，否則重新進(jìn)行上述過(guò)程，確定密封完好后將水排出后進(jìn)行注漿試驗(yàn)。在注漿加固試驗(yàn)裝置的注水口注滿水后連接加壓水泵，在抽漿口處連接漿液儲(chǔ)存罐和真空泵，將配置好的漿液倒入儲(chǔ)漿罐中，并打開(kāi)相關(guān)的連通閥門(mén)，調(diào)節(jié)加壓水泵壓力，使其達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)圍壓值，手動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵送裝置壓力，同時(shí)啟動(dòng)抽真空泵，待漿液儲(chǔ)存罐有大量漿液進(jìn)入，停止注漿，并關(guān)閉閥門(mén)，待漿液與試件凝結(jié)后，得到注漿加固后試樣。

3 裂隙巖體注漿加固試驗(yàn)

通過(guò)上述裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固系統(tǒng)開(kāi)展了注漿加固試驗(yàn)研究，從而驗(yàn)證該注漿加固系統(tǒng)的可行性。

3.1 試驗(yàn)巖樣及制備

試驗(yàn)所使用的巖樣為云南紅砂巖，巖石呈紅褐色，巖石試件尺寸為?50mm×H100mm，圖3為紅砂巖巖樣薄片電鏡掃描圖像，顯微結(jié)構(gòu)描述為細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，孔隙式膠結(jié)。

紅砂巖巖樣的主要礦物含量見(jiàn)表1。

表1 紅砂巖巖樣礦物含量

含裂隙巖體試件的制備是在過(guò)山東科技大學(xué)Rock Top多場(chǎng)耦合試驗(yàn)儀上完成，該注漿試驗(yàn)所用的含裂隙試件是在圍壓為30MPa時(shí)破壞形成的。

3.2 裂隙巖體注漿加固

將制備好的含有裂隙的試件放置在注漿加固試驗(yàn)裝置上，按照該注漿加固系統(tǒng)的使用方法進(jìn)行試驗(yàn)，用“C”型抱箍將試件與壓頭位置調(diào)節(jié)適中，試驗(yàn)對(duì)注漿漿液的性能有一定要求，注漿漿液需能滲入滲透系數(shù)為10-5～10-4cm/s的砂巖中，一般采用化學(xué)漿液或平均粒徑為3～6μm的超細(xì)水泥漿液，本次注漿加固試驗(yàn)采用自行研制的改性超細(xì)水泥漿液。

所有準(zhǔn)備工作就緒后，展開(kāi)注漿試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，將密封套中的試件放進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)3d后，取下密封套，得到如圖3所示的注漿完成后的試樣，從圖3中可以看出，漿液填充進(jìn)了巖體中的裂隙。為了進(jìn)一步分析該系統(tǒng)的注漿加固效果，取試樣內(nèi)部邊長(zhǎng)為1 cm且包含膠結(jié)面的薄片進(jìn)行電鏡掃描，掃描結(jié)果如圖4所示，虛線上方為水泥漿液，虛線下方為紅砂巖巖塊，經(jīng)分析，漿液與紅砂巖巖塊膠結(jié)良好。說(shuō)明該套注漿加固系統(tǒng)科學(xué)合理。

圖3 注漿完成后試樣

圖4 注漿后試樣電鏡掃描

4 結(jié) 語(yǔ)

新型裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固系統(tǒng)解決了目前室內(nèi)注漿加固模擬試驗(yàn)面臨的很多問(wèn)題，該套系統(tǒng)加入了圍壓加載裝置，密封性更加良好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于巖體內(nèi)部微小裂隙的注漿加固模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)該套系統(tǒng)應(yīng)用的“注—抽”結(jié)合的注漿方式，大大的提高了注漿效率。該注漿加固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，操作方便，可行性強(qiáng)，為室內(nèi)模擬注漿試驗(yàn)研究帶來(lái)很多便利。