付琛　曹明

摘要：目前相關(guān)巷道破碎煤巖體注漿加固已被廣泛使用，但其理論研究較少，巷道破碎煤巖體注漿機(jī)理方面的研究總體來說主要停留在對(duì)宏觀顯現(xiàn)定性的總結(jié)，缺乏深入的研究。文章討論了巷道破碎煤巖體注漿加固的作用，并對(duì)巷道破碎巖塊注漿加固后的固結(jié)性能與力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：巷道；破碎煤巖體；注漿加固；固結(jié)性能；力學(xué)狀態(tài) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD265 文章編號(hào)：1009-2374（2015）03-0158-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0268

高分子材料注漿加固煤巖體技術(shù)是近些年來逐步發(fā)展起來的一門技術(shù)，就是利用專門注漿設(shè)備將新型高分子材料漿液壓入煤巖體，其封閉、充填和固結(jié)周圍巖體及周圍煤層裂隙面提高圍巖的整體性，隔絕透風(fēng)、滲水、預(yù)防瓦斯災(zāi)害及加固周圍巖體。

1 巷道破碎煤巖體的注漿加固作用

1.1 網(wǎng)狀骨架支撐結(jié)構(gòu)提高體的整體強(qiáng)度

在破裂的煤炭巖體程中，漿體的作用下擠壓或滲入到碎煤巖體的裂隙中，漿體凝固后固態(tài)的形式充填在裂隙中并與原有巖體固結(jié)，這些充填的材料在原有巖體內(nèi)形成新的網(wǎng)狀的骨架式構(gòu)。

注漿后原有巖體增加了由加固材料形成的漿脈，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)量得到的漿脈厚度大約為0.5～50mm。這些漿脈在巖體中呈薄厚不均的片狀或帶狀，但彼此相聯(lián)系，形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀骨架內(nèi)側(cè)則是均勻密實(shí)的巖體，形成網(wǎng)狀骨架式的充填材料具有較好的彈性和粘結(jié)強(qiáng)度。

1.2 增強(qiáng)加固作用

當(dāng)集中的切向應(yīng)力高于原有巖體的強(qiáng)度承受極限時(shí)，巷道表面的圍巖先遭受破壞，產(chǎn)生裂隙，巖體原有的內(nèi)應(yīng)力及內(nèi)摩擦角下降，巷道周圍的巖體一定范圍內(nèi)形成圍巖破碎帶，在這個(gè)破碎帶內(nèi)的巖體仍然具有一定的殘余強(qiáng)度，使抵抗巷道圍巖深部變形的承受能力減小。注漿加固的作用就是通過注漿使該區(qū)域內(nèi)的破碎巖體的強(qiáng)度及整體性得到加強(qiáng)，當(dāng)漿液在巖體內(nèi)充填，固結(jié)強(qiáng)度得到加強(qiáng)，使巷道周圍形成完整的不間斷的承壓體，圍巖應(yīng)力分布趨向均勻，減輕了應(yīng)力集中現(xiàn)象，增強(qiáng)了支架的承載能力，從而加強(qiáng)了周圍巖體的穩(wěn)定

程度。

注漿有利于改變?cè)瓗r體弱面的力學(xué)性能，從而增強(qiáng)裂隙的粘聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖體內(nèi)部塊體間相對(duì)位移的阻力，提高圍巖整體的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)直接觀察測(cè)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)分析注漿前后的巖體力學(xué)性能。從結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能和抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，注漿后巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角都有著不同程度的提高，硬度和抗剪強(qiáng)度都得到改善，其中硬度的變化更為顯著。

1.3 充填注漿對(duì)壓實(shí)作用的影響

注漿漿液在注漿泵注漿壓力作用下，不但能夠?qū)⑾嗷ミB通的巖體裂隙充填，還能夠同時(shí)在壓力作用下將充填不到的封閉裂隙和空隙壓縮，從而對(duì)整個(gè)巖體起到壓實(shí)作用。壓實(shí)作用的結(jié)果是使巖體的彈性模量提高，強(qiáng)度也會(huì)隨之相應(yīng)提高。

1.4 有利于破壞機(jī)理作用的轉(zhuǎn)變

當(dāng)巖體中存在較大的裂隙時(shí)，裂隙附近的巖石單元處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。如果裂隙內(nèi)充滿加固材料，則應(yīng)力發(fā)生變化，這些單元將轉(zhuǎn)變成三向受力的狀態(tài)。巖石在三向受力狀態(tài)下的強(qiáng)度極限將比在兩向應(yīng)力或單向應(yīng)力時(shí)的狀態(tài)會(huì)有顯著的增強(qiáng)并且脆性減小，塑性加強(qiáng)，注漿加固從而起到了轉(zhuǎn)換破壞機(jī)理和增加巖體強(qiáng)度的

作用。

1.5 共同承載作用得以加強(qiáng)

在破碎松散巖體中進(jìn)行注漿加固，可以讓巷道破碎煤巖體重新膠結(jié)成整體，形成承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，并與巷道原有支護(hù)體系共同支撐，從而減輕原有支護(hù)體系承受的載荷。

1.6 安全作用

巷道破碎煤巖體注漿后，凝固后的漿液固結(jié)體將封閉圍巖的裂隙，阻止地下水和有害氣體侵入、滲漏，防止巷道圍巖裂隙引起的透風(fēng)、滲水現(xiàn)象，從而減少甚至杜絕瓦斯和水害事故的發(fā)生，對(duì)減少瓦斯?jié)B入和預(yù)防水患具有重要的作用。

2 對(duì)于巷道破碎巖塊注漿加固后的固結(jié)性能分析

在地質(zhì)過程中形成和改造過的天然巖體，特別是與人類工程活動(dòng)密切相關(guān)的地殼表層巖體，是由軟弱面切割成的巖石塊體所組成的復(fù)雜介質(zhì)。軟弱面是具有強(qiáng)度低和易變形特性的各種地質(zhì)界面，如裂隙、層面、斷裂的統(tǒng)稱。由一些軟弱巖面將巖體切割成為巖石塊體，這種巖石塊體被稱為結(jié)構(gòu)體。

結(jié)構(gòu)面對(duì)原位巖體的強(qiáng)度、變形性、滲透性、各項(xiàng)異性、力學(xué)上的不間斷性以及巖體中應(yīng)力分布等均有顯著影響。一般來說，結(jié)構(gòu)面是影響巖體力學(xué)問題的控制性因素。不同類型的結(jié)構(gòu)面具有不同的工程地質(zhì)特征，這些不同特征直接取決于結(jié)構(gòu)面的自然特性以及造成它們自然特性差異的地質(zhì)成因和力學(xué)成因。不同類型的巖體結(jié)構(gòu)單元在巖體組合和排列形式構(gòu)成了不同的巖體結(jié)構(gòu)。各類巖體結(jié)構(gòu)的典型圖如圖1所示：

a.整體結(jié)構(gòu)圖；b.塊狀結(jié)構(gòu)圖；c.層狀結(jié)構(gòu)圖；d.薄層狀結(jié)構(gòu)圖示；e.鑲嵌破碎結(jié)構(gòu)圖示；f.層狀破碎結(jié)構(gòu)圖示；g.破碎結(jié)構(gòu)圖示；h.散體結(jié)構(gòu)圖示

圖1 各類巖體結(jié)構(gòu)圖

破裂巖石注漿固結(jié)體是由不規(guī)則巖塊、各種孔隙構(gòu)成的弱面、滲入到深部分弱面中的漿液凝膠體等共同組成的多項(xiàng)復(fù)合材料，在宏觀層次上可將其視為均勻不間斷材料，分析研究其整體力學(xué)性能，便于在工程層次上研究巷道圍巖注漿加固機(jī)理和整體效果；在細(xì)觀層次上可將其視為不均勻間斷材料，分析漿液滲入裂隙面后的固結(jié)性能，適合選擇巖塊進(jìn)行力學(xué)性能及固結(jié)性能分析；在微觀層次上時(shí)和研究注漿材料凝膠體及其和巖石的粘結(jié)性。由于化學(xué)和力學(xué)的原因，高分子類漿液與巖石裂隙面之間產(chǎn)生一定的粘結(jié)力，它通常取決于組成界面的實(shí)際接觸面積及界面自由能的強(qiáng)弱程度和其他因素影響，包括注漿材料品種、裂隙面粗糙起伏度及表面結(jié)構(gòu)、巖塊強(qiáng)度等。對(duì)水泥類注漿材料，界面的粘結(jié)強(qiáng)度小于巖塊本身的強(qiáng)度，也小于凝膠體的強(qiáng)度，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，是固結(jié)體最容易破壞的地方。

而對(duì)化學(xué)注漿材料，由于化學(xué)漿液凝膠體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到80MPa，高于巖石試塊本身的強(qiáng)度，并且化學(xué)凝膠體與巖石裂隙表面的粘結(jié)強(qiáng)度也較高，甚至高于試塊巖石本身的抗剪強(qiáng)度，因而對(duì)化學(xué)注漿而言，注漿固結(jié)體容易破壞的環(huán)節(jié)應(yīng)在漿液沒滲透進(jìn)的巖石裂隙或

弱面。

破裂巖塊注漿加固后力學(xué)性能有一定的改善，強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)>1，即經(jīng)過注漿固結(jié)后，巖塊的強(qiáng)度較之于原試塊承載能力有所提高，抗壓強(qiáng)度也隨之提高，并且固結(jié)體大都沿新產(chǎn)生的裂隙面破壞，破裂機(jī)理有一定改變，反映了德克因材料與巖體的破裂面的粘結(jié)力較高，改變了巖塊的破壞方式。破裂巖石注漿固結(jié)體的穩(wěn)定性主要在于固結(jié)強(qiáng)度，因此破裂巖體的注漿固結(jié)效果尚需在整體固結(jié)性能上加以分析。

3 影響注漿效果的因素

破裂巖體和松散煤巖體注漿固結(jié)實(shí)驗(yàn)都表明注漿固結(jié)效果的影響因素包括三個(gè)方面：巖石材料性能、注漿材料性能、注漿參數(shù)。

3.1 注漿材料對(duì)注漿效果的影響

對(duì)德克因材料而言，影響材料性能的主要是漿液的放置時(shí)間、漿液粘度、漿液凝膠體的抗強(qiáng)度等參數(shù)，一般來說，漿液放置時(shí)間越長(zhǎng)，其粘度也就越大，粘度越大漿液的滲透性越低。漿液的粘度是漿液材料的重要注漿參數(shù)，它與漿液的放置時(shí)間、溫度等因素相關(guān)，而凝膠體抗壓強(qiáng)度則與漿液的膨脹倍數(shù)有關(guān)。漿液的粘度降低漿液的滲透性能增加，漿液能夠注入更細(xì)微的裂隙中，有利于對(duì)巖體的固結(jié)。

3.2 注漿壓力對(duì)注漿效果的影響

注漿壓力是在注漿過程中，克服漿液流動(dòng)阻力并將之壓注進(jìn)巖體裂隙中的動(dòng)力。水泥類漿液是顆粒型漿液，其流動(dòng)阻力大于溶液型的化學(xué)漿液，當(dāng)巖體裂隙度較小時(shí)，漿液滲透性低，則需要較高的注漿壓力才能保證注漿效果。

不同水泥漿凝固時(shí)的收縮性不同，當(dāng)注漿完成后，注漿壓力也隨之減小或消失，而德克因材料在凝膠過程中具有膨脹性，這不僅會(huì)促進(jìn)漿液的滲透，還能使注漿壓力作為人為的側(cè)向力隨漿液的凝膠而使巖體內(nèi)部保存下來，注漿壓力相當(dāng)于在注漿過程中為巖體人為地施加了一側(cè)向約束力，側(cè)向力的增大，巖體的穩(wěn)定性也增強(qiáng)。因此在注漿過程中，注漿壓力越大，注漿效果越好，從目前我國(guó)煤礦注漿經(jīng)驗(yàn)來看，注漿壓力大都在5MPa以下，注漿壓力偏小。目前由于受注漿機(jī)具的限制，注漿壓力也不能無限制地增加。從實(shí)踐的角度來看，巷道破碎煤巖加固時(shí)，注漿壓力應(yīng)不低于15MPa，對(duì)遇到松軟致密的巷道巖層時(shí)，注漿壓力應(yīng)在20MPa

以上。

4 結(jié)語

綜上所述，注漿可以有效加固巖體改善巖體的力學(xué)性能?？墒怯捎谟糜诒容^的巖體力學(xué)指標(biāo)概念不明確或條件不同，常常不具有比較性，所以結(jié)果差距懸殊或工程意義不具體。本文根據(jù)巷道圍巖的實(shí)際賦存狀態(tài)的分析，明確指出注漿主要是加固和改善破裂后巖體的力學(xué)性能，為巷道圍巖加固注漿建立了理論基礎(chǔ)。得出了以下結(jié)論：（1）固結(jié)體的強(qiáng)度受巖性、漿液性能和注漿壓力等因素的制約，影響程度可以用強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)指標(biāo)n從不同的側(cè)面描述破裂巖塊注漿固結(jié)效果。巖性從根本上決定固結(jié)體的力學(xué)性能，這里巖體的破裂程度和狀態(tài)又是至關(guān)重要的，當(dāng)塊體裂隙較少時(shí)，注漿固結(jié)效果不明顯，注漿時(shí)其n值約為1.5；（2）由于水泥類材料與巖體的粘結(jié)力較低，注漿固結(jié)體依舊是含弱面的巖體，強(qiáng)度仍不同程度地低于完整巖石，仍然沿原存在的破裂面發(fā)生剪切破壞。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：蔣建華）