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)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

目前，我國淺部煤炭資源已經(jīng)枯竭，煤炭開采趨向深部。隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，在開采過程中常遇到不良的地質(zhì)體，巖體初始地應(yīng)力狀態(tài)在工程擾動下極易發(fā)生改變，導(dǎo)致巖體內(nèi)部裂隙極易出現(xiàn)擴展并相互貫通，進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，裂隙開度容易擴張變大，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巖體進行加固治理[4-6]，注漿加固室內(nèi)模擬試驗是研究巖體注漿加固的有效方法，具有其獨特的優(yōu)越性[7-10]。

1 注漿加固試驗裝置研究現(xiàn)狀

楊米加[11-13]通過自行設(shè)計的試驗平臺，開展了單裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬注漿試驗，研究了在不同的注漿壓力和水灰比對漿液滲流規(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儀，可以實現(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)，通過高壓將化學(xué)漿液壓如裂隙中，取得了一定的試驗成果，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系統(tǒng)，并在內(nèi)部布設(shè)傳感器，滿足了注漿加固過程的力學(xué)分析；李召峰等[18，19]研制了一套富水破碎灰?guī)r的注漿加固試驗裝置，并對注漿加固效果的影響因素進行了研究，取得了一定成效?，F(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)上進行加工制造，很難反映真實的地下注漿過程，且注漿試驗裝置主要是針對完全破碎巖體或碎石進行的注漿加固試驗，難以實現(xiàn)對于巖體內(nèi)微小裂隙的注漿加固試驗研究。

2 新型注漿加固系統(tǒng)的研制

2.1 主要的設(shè)計目的

為了解決注漿理論與實際工程中存在的問題，實現(xiàn)對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)驗性施工而帶來的高額成本，從而達(dá)到更好的經(jīng)濟效益。

2.2 主要的系統(tǒng)組成

1)液壓泵送裝置：采用手動/電動注漿加壓裝置，在配套的儲漿罐內(nèi)注入漿液，通過手動/電動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，焊接在儲漿罐頂端。

3)注漿加固試驗裝置：注漿加固試驗裝置為該套系統(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 注漿加固試驗裝置

注漿加固試驗裝置底板承壓臺尺寸為?250mm×H20mm；底板承壓臺下端設(shè)置四根?20mm×H100mm的支柱；在底板承壓臺底端設(shè)置注漿口，注漿口口徑為?12mm，可外接管路，在注漿口安置閥門開關(guān)和壓力表，控制漿液的進出；在底板承壓臺內(nèi)部開外徑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處開凹槽，放置密封圈；上端壓頭與下端壓頭對稱設(shè)計；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；底板承壓臺與頂板承壓臺通過四根?20mm×H350mm的圓柱連接，在圓柱上設(shè)有螺紋，便于調(diào)節(jié)頂板承壓臺的高度和緊固頂板承壓臺；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，放置在底板承壓臺凹槽內(nèi)，同時放置頂板承壓臺，并用螺絲緊固，形成封閉的圍壓室；頂板承壓臺上端設(shè)置有圍壓壓力表、注水口、卸壓閥門和排漿/抽漿口，其中排漿/抽漿口處設(shè)置有閥門控制開關(guān)和壓力表。

4)圍壓加載裝置：圍壓加載裝置采用自動加壓水泵(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)，通過注水口加滿水后，由加壓水泵提供試驗所需圍壓值。

5)抽漿裝置：抽漿裝置主要由真空泵和漿液儲存罐組成，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液壓油管與儲漿罐相連接，儲漿罐通過耐高壓注漿軟管與注漿加固試驗裝置的底端注漿口相連接，注漿加固試驗裝置的頂端抽漿口通過耐壓軟管與外部漿液儲存罐的一端接口相連接，同時漿液儲存罐的另一端接口與抽真空泵通過耐壓軟管相連接；注漿加固試驗裝置的頂端注水口通過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：將通過單軸或三軸破壞的試件放入到注漿加固試驗裝置的底端壓頭上，在試件的底端和頂端各放一個導(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裝置的卡槽內(nèi)，然后用緊固螺絲將頂板承壓臺緊固。通過調(diào)節(jié)液壓泵送裝置的開關(guān)，將儲漿罐內(nèi)活塞退至儲漿罐尾端。將裝置連接好后進行密封性測試，在儲漿罐內(nèi)注滿水，打開注漿口和排漿口閥門，采用自動加壓泵將壓力設(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，靜置30min，觀察注漿口和出漿口壓力表數(shù)值無明顯變化，說明密封性良好，否則重新進行上述過程，確定密封完好后將水排出后進行注漿試驗。在注漿加固試驗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存罐和真空泵，將配置好的漿液倒入儲漿罐中，并打開相關(guān)的連通閥門，調(diào)節(jié)加壓水泵壓力，使其達(dá)到試驗設(shè)計圍壓值，手動調(diào)節(jié)液壓泵送裝置壓力，同時啟動抽真空泵，待漿液儲存罐有大量漿液進入，停止注漿，并關(guān)閉閥門，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

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

3.1 試驗巖樣及制備

試驗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山東科技大學(xué)Rock Top多場耦合試驗儀上完成，該注漿試驗所用的含裂隙試件是在圍壓為30MPa時破壞形成的。

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裝置上，按照該注漿加固系統(tǒng)的使用方法進行試驗，用“C”型抱箍將試件與壓頭位置調(diào)節(jié)適中，試驗對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，展開注漿試驗。試驗結(jié)束后，將密封套中的試件放進養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，養(yǎng)護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，漿液填充進了巖體中的裂隙。為了進一步分析該系統(tǒng)的注漿加固效果，取試樣內(nèi)部邊長為1 cm且包含膠結(jié)面的薄片進行電鏡掃描，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

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)注漿加固模擬試驗面臨的很多問題，該套系統(tǒng)加入了圍壓加載裝置，密封性更加良好，可以實現(xiàn)對于巖體內(nèi)部微小裂隙的注漿加固模擬實驗，同時該套系統(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，為室內(nèi)模擬注漿試驗研究帶來很多便利。