吳犇牛， 劉欽節(jié)， 付強(qiáng)， 韓運(yùn)

(1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 淮南 232001； 2. 合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院， 合肥 230031； 3. 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 淮南 232001)

地下工程建設(shè)過程中，因開挖、支護(hù)、往復(fù)加載等因素導(dǎo)致巖石受到擾動(dòng)而產(chǎn)生裂隙，是產(chǎn)生礦山與地下工程災(zāi)害的主要原因，從而易發(fā)生事故[1]。注漿法是加強(qiáng)巖石強(qiáng)度、牢固破碎巖體、避免頂板災(zāi)害的高效措施[2]。為確保含裂紋圍巖變形可控，通過向裂隙巖體注漿填充修復(fù)巖體裂隙，進(jìn)而提高圍巖穩(wěn)定性。巖體注漿力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義，而室內(nèi)試驗(yàn)研究作為巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的主要手段，在巖石注漿研究領(lǐng)域也具有廣泛的適用性。

目前，大量學(xué)者在巖石裂紋注漿試驗(yàn)裝置研制以及試驗(yàn)研究方面開展了相關(guān)研究，王志等[3]、Ma等[4]、韓貴雷[5]針對(duì)含裂紋巖石注漿后力學(xué)性質(zhì)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)后得出，注漿對(duì)破裂巖體中巖塊應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變有顯著影響；王春等[6]、武東陽(yáng)等[7]、金愛兵等[8]經(jīng)過試驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，選取不同的注漿材料對(duì)破裂巖石試樣的加固強(qiáng)度有明顯不同；同時(shí)宗義江等[9]、Zhang等[10]、陸銀龍等[11]、陳懿等[12]從微觀結(jié)構(gòu)探究注漿加固對(duì)巖石試樣力學(xué)特征的影響。

Sun等[13]開展注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)破碎砂巖使用復(fù)合漿液加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證，在添加有機(jī)物后的復(fù)合漿液明顯改善了脆性破壞現(xiàn)象；李召峰等[14]研制了一套針對(duì)富水破碎灰?guī)r的大型注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了注漿加固效果的影響因素；王永巖等[15]使用相似模擬材料，制備出含不同角度裂隙類巖石試件研究裂隙對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；張偉杰等[16]自主研制的三維注漿模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)富水破碎巖體多孔分序帷幕注漿試驗(yàn)，分析帷幕注漿加固體形態(tài)及細(xì)觀特征；郭東明等[17]研制了一種實(shí)驗(yàn)室液壓注漿系統(tǒng)，利用預(yù)制含孔徑巖石試樣進(jìn)行注漿試驗(yàn)，并利用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)技術(shù)可觀測(cè)巖石注漿時(shí)漿液擴(kuò)散情況。上述研究雖從各個(gè)角度分析注漿對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，但受限于加工技術(shù)及條件限制，主要使用類巖石試樣或預(yù)制裂紋試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，未使用原巖或真實(shí)破壞裂紋試樣，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)巖石注漿情況缺乏研究探索。

在此基礎(chǔ)上，葛雙雙[18]研發(fā)了一套破裂圍巖加錨、注漿、錨注一體化試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)200 mm × 200 mm × 200 mm巖石試樣進(jìn)行約束加載獲取破裂巖石試樣進(jìn)行注漿加固研究；劉杰等[19]基于可視化滲流裝置，分析了裂隙巖石滲流狀態(tài)；張志婷等[20]對(duì)100 mm × 100 mm × 100 mm 的立方體花崗巖試樣預(yù)制節(jié)理研究三軸加載過程中臨空面上平均溫度變化和溫度特征粗糙度變化特征與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。張家奇等[21]基于多功能綜合注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了不同巖土體介質(zhì)開展多類注漿加固試驗(yàn)。

上述設(shè)備存在試驗(yàn)結(jié)束后取樣過程復(fù)雜、步驟煩瑣、試驗(yàn)重復(fù)驗(yàn)證過程周期長(zhǎng)、成本高等問題。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，現(xiàn)研制一種三聯(lián)一體化含裂紋巖石試件注漿裝置，對(duì)含裂紋巖石試樣進(jìn)行簡(jiǎn)易注漿，并運(yùn)用該裝置開展巖石注漿實(shí)驗(yàn)。通過先對(duì)巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)獲得含裂紋巖石試樣以及其力學(xué)參數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行注漿加固后，對(duì)比前后力學(xué)性能的變化驗(yàn)證裝置可行性，為現(xiàn)場(chǎng)的圍巖注漿效果評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其組成

含裂紋巖石試件注漿模擬測(cè)試系統(tǒng)主要包括三聯(lián)同步注漿加壓系統(tǒng)、巖石測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 含裂紋巖石試件注漿模擬測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Grouting simulation test system of rock specimen with crack

1.2 三聯(lián)同步注漿加壓系統(tǒng)

研發(fā)設(shè)計(jì)的三聯(lián)一體化含裂紋巖石試件注漿裝置，在保證氣密性基礎(chǔ)上對(duì)含裂隙巖石試樣進(jìn)行注漿，圖2(a)為裝置示意圖。為了使注漿過程中3個(gè)巖石試樣所處的環(huán)境相同，裝置腔體設(shè)計(jì)為3個(gè)可以放置巖石試樣(Φ50 mm×100 mm)的圓形空腔，3個(gè)圓形空腔通過上下的出漿口、注漿口相互連接。

圖2 三聯(lián)一體化含裂紋巖石試件注漿裝置Fig.2 Triple integrated grouting device for rock specimen with crack

注漿加壓系統(tǒng)由注漿裝置和加壓裝置兩個(gè)部分組成。注漿裝置與加壓裝置相連，加壓裝置使用手壓泵對(duì)漿液進(jìn)行加壓，泵支管處安裝壓力表，注漿時(shí)觀測(cè)腔內(nèi)壓力大小以滿足實(shí)驗(yàn)需要。

為確定裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用有限元分析的方法對(duì)裝置進(jìn)行模擬計(jì)算。在構(gòu)建模型階段，使用三維建模軟件對(duì)裝置3個(gè)主要組成部分進(jìn)行模型繪制搭建。考慮到模型過于復(fù)雜會(huì)對(duì)劃分網(wǎng)格結(jié)果出現(xiàn)分布不均、網(wǎng)格雜亂的影響，于是對(duì)裝置細(xì)節(jié)部件進(jìn)行精簡(jiǎn)，在不改變裝置整體設(shè)計(jì)的前提下著重分析裝置的腔體部分。使用有限元分析軟件對(duì)繪制模型進(jìn)行分析，分析前對(duì)模型進(jìn)行材料賦予，其材料為45號(hào)鋼，定義材料屬性中抗拉強(qiáng)度600 MPa、屈服強(qiáng)度355 MPa、密度7.85 g/cm3。

裝置注漿過程中，腔體內(nèi)部會(huì)受到來自注漿加壓的壓力。為簡(jiǎn)便分析過程，將作用與腔體內(nèi)部的壓力進(jìn)行簡(jiǎn)化，以 6 MPa的壓力施加在內(nèi)腔表面。對(duì)模型進(jìn)行模擬，得到模型的變形、應(yīng)力以及安全系數(shù)分布云圖，如圖3所示。

由圖3(a)可看出注漿裝置腔體在受力時(shí)變形情況，變形從下到上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其中變形最大為3.526×10-3mm，腔體受到壓力作用產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其原始尺寸，可忽略腔體的變形，對(duì)裝置性能不會(huì)產(chǎn)生任何影響。由圖3(b)可知，注漿裝置的最大應(yīng)力點(diǎn)分布在兩腔體相連處，且最大等效應(yīng)力 56.29 MPa，小于45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度，可以滿足強(qiáng)度要求。參照《鋼制壓力容器》(GB 150—1998)[22]設(shè)定材料強(qiáng)度安全系數(shù)為3，應(yīng)力分析設(shè)計(jì)參照《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JB 4732—1995)[23]設(shè)定材料強(qiáng)度安全系數(shù)為2.7。而通過對(duì)腔體進(jìn)行分析得出安全系數(shù)最小為6.39，確定腔體安全性可以達(dá)到保證，如圖3(c)所示。

圖3 注漿裝置變形、等效應(yīng)力及安全系數(shù)云圖Fig.3 Cloud diagram of deformation, equivalent stress and safety factor of grouting device

通過對(duì)裝置進(jìn)行模型繪制，重點(diǎn)對(duì)裝置腔體進(jìn)行有限元分析，從應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)3個(gè)方面分析確定了裝置參數(shù)選取，其參數(shù)滿足各方面條件可以對(duì)裝置進(jìn)行加工制作。

1.3 巖石測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

巖石測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制 RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。軸向位移采用力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上自帶的位移傳感器，精度為3‰ F.S.(F.S.表示滿量程)，量程為5 mm。巖樣所受軸向載荷由試驗(yàn)機(jī)施加并自動(dòng)記錄，力載荷和位移數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸實(shí)時(shí)顯示和同步儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)上，可直接得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 注漿裝置驗(yàn)證

2.1 工程概況

謝橋礦井位于安徽省淮南煤田潘謝礦區(qū)的西部。礦區(qū)占地約50 km2，礦區(qū)大致形狀為長(zhǎng)約11.5 km、寬約4.3 km的矩形。該礦區(qū)地理位置位于穎上縣東北方向20 km左右，風(fēng)臺(tái)縣西北方向約34 km。礦區(qū)四周據(jù)分布有各個(gè)礦區(qū)井田：張集礦、劉莊井田、羅園井田(新集礦區(qū))。試驗(yàn)巖樣取芯區(qū)域選取為淮南煤田潘謝礦區(qū)的西翼某巷道。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為3組，編號(hào)分別為A-1、A-2、A-3。通過對(duì)巖石進(jìn)行取芯后加載制備含裂紋試樣，試驗(yàn)過程中，使用 RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試巖樣初始力學(xué)性質(zhì)。單軸壓縮試驗(yàn)均采用位移控制方式加載，加載速率選用1 mm/min，連續(xù)加載直至巖樣完全破壞，如圖4(a)所示。實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)破碎試樣進(jìn)行收集，獲得巖石的軸向力和軸向變形數(shù)據(jù)、單軸壓縮過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，完成含裂紋巖石試樣的制備。

將含裂隙巖石試樣放置進(jìn)注漿裝置中，如圖4(b)所示。利用超細(xì)水泥對(duì)巖石裂紋進(jìn)行注漿加固，通過閱讀文獻(xiàn)[14]按照1∶1水灰比調(diào)制水泥漿液，調(diào)制完畢后加入注漿設(shè)備內(nèi)，緊固螺栓使之密閉，如圖4(c)所示。手動(dòng)使用注漿泵加壓，使注漿液充注漿裝置，觀察漿液從出漿口溢出后，關(guān)閉出漿口繼續(xù)加壓注漿，當(dāng)壓力表達(dá)到3 MPa后停止注漿，靜止實(shí)驗(yàn)裝置1 h待試樣凝固后取出注漿試樣，試樣取出后陰干養(yǎng)護(hù)完成試樣制備。

圖4 試驗(yàn)進(jìn)行步驟Fig.4 Test procedure

注漿加固后再次使用 RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各注漿后試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件注漿前性質(zhì)分析

通過巖石試樣的單軸壓縮試驗(yàn)，得到如圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯?，巖石試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，繼續(xù)加載應(yīng)力急劇下降，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。

圖5 巖石試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of rock samples

從初始點(diǎn)開始，巖石被擠壓壓密，內(nèi)部微裂縫和孔隙迅速閉合。接下來進(jìn)入線彈性變形階段，在持續(xù)增加的應(yīng)力載荷條件下，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系增加，此時(shí)巖石內(nèi)部通常沒有新微裂縫的產(chǎn)生。其次為非線性、穩(wěn)定延展階段，該階段巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙的坍塌，同時(shí)產(chǎn)生一些新微裂縫。然后應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值前，此時(shí)為非線性、非穩(wěn)定延展階段，此階段巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量新微裂縫，并最終導(dǎo)致巖石中巖心尺度宏觀破裂的發(fā)生。應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值之后，為峰后應(yīng)變階段，巖石發(fā)生破裂，其內(nèi)部?jī)H剩余殘余強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到巖石力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖石試樣單軸壓縮試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Uniaxial compression test parameters of rock samples

3.2 試件宏觀破壞模式分析

圖6為各巖石試樣的破壞形態(tài)圖?？梢钥闯觯瑤r石試樣呈現(xiàn)剪切形式破壞，破壞后出現(xiàn)單一剪切裂紋。試樣以豎向劈裂破壞為主，局部剪切破壞為輔。

圖6 巖石試樣宏觀破壞形態(tài)Fig.6 Macroscopic failure pattern of rock sample

多表現(xiàn)為脆性破壞，破壞時(shí)伴隨較大的聲音。具體破壞特點(diǎn)為沿著豎向存在多條的破裂面，將巖樣分成多個(gè)長(zhǎng)條狀塊體，個(gè)別巖樣在其端部存在斜交巖樣軸向的剪切面，試樣破壞后一般比較破碎。巖樣破壞后出現(xiàn)明顯的剪切主裂紋和多條拉伸分叉裂紋，巖樣宏觀破裂面一般由1條對(duì)角的主剪切破裂面與1～2條與巖樣軸向斜交的次剪切破裂面組成。

3.3 試件注漿后性質(zhì)分析

通過對(duì)破碎巖石試樣進(jìn)行注漿風(fēng)干后，得到含裂紋巖石注漿試樣，如圖7所示。再次進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試其力學(xué)性質(zhì)。對(duì)比巖石試樣初始?xì)堄鄰?qiáng)度與注漿后單軸抗壓強(qiáng)度，巖石試樣強(qiáng)度對(duì)比見圖8，通過巖石注漿后力學(xué)性能測(cè)試可知，注漿巖石力學(xué)性質(zhì)的變化受到巖石強(qiáng)度和注漿材料的影響，在注漿后巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到巖石試樣初始?xì)堄鄰?qiáng)度的70%～85%。

圖7 含裂紋巖石注漿試樣Fig.7 Grouting sample of cracked rock

圖8 巖石試樣強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.8 Strength comparison of rock samples

注漿加固巖石試樣的抗壓強(qiáng)度與未注漿巖石試樣的殘余強(qiáng)度對(duì)比，可以看出注漿對(duì)于巖石力學(xué)性質(zhì)的效果還是較為明顯的。因此含裂紋巖石試樣注漿模擬測(cè)試裝置具有良好的實(shí)用性。

4 結(jié)論

通過對(duì)含裂紋巖石試樣注漿模擬測(cè)試裝置設(shè)計(jì)、模擬、測(cè)試，得出了如下結(jié)論。

(1)自主研發(fā)了三聯(lián)一體化含裂紋巖石試件注漿性能測(cè)試裝置，該裝置具有使用便攜、步驟簡(jiǎn)便、可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)同巖性試樣注漿試驗(yàn)的特點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)就地取材進(jìn)行巖石注漿性能簡(jiǎn)易測(cè)試。

(2)通過力學(xué)性能測(cè)試可以得出，注漿巖石試樣力學(xué)性質(zhì)為原巖力學(xué)性質(zhì)的70%～85%，注漿效果可觀，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

(3)所研制的系統(tǒng)能夠應(yīng)用于含裂紋巖石試件注漿模擬試驗(yàn)研究，為探究巖石試件注漿模擬測(cè)試提供試驗(yàn)平臺(tái)，但試驗(yàn)僅為初步研究，尚未涉及巖石裂隙對(duì)注漿試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，因此，在后期研究中需進(jìn)一步對(duì)此部分進(jìn)行研究和驗(yàn)證。