張進(jìn)鵬 ，李 揚(yáng)，趙 煒，白 云，韓 剛，許峻豪，賀敬平，劉立民，任 喆

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018；2.泰山科技學(xué)院 通信工程學(xué)院,山東 泰安 271038；3.山東科技大學(xué) 資源學(xué)院,山東 泰安 271001；4.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)文家坡煤礦,陜西 咸陽 713599；5.山東正元冶達(dá)環(huán)境科技有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

新奧法自提出后在許多國家得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，目前已成為地下工程圍巖控制的重要方法。注漿加固是新奧法的拓展，在隧道、井巷、邊坡等工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。注漿加固通過修復(fù)裂隙可以促使破碎巖體變?yōu)樾螒B(tài)完整、結(jié)構(gòu)致密的整體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性等均能得到明顯提高。

注漿對破碎圍巖硐室的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在裂隙巖體改性和桿件全長錨固，具體表現(xiàn)為：①裂隙巖體被漿液充填黏結(jié)后，形成類似簡單混凝土結(jié)構(gòu)的整體，其中漿液類似膠凝材料，破碎巖體類似骨料，其力學(xué)性能必然大大改善[1-3]；②注漿可使錨桿索桿件的錨固方式變?yōu)槿L錨固，改變了錨桿索與巖體的挾持受力狀態(tài)，以及與圍巖的協(xié)同作用[4-5]；③漿液充填圍巖裂隙后，錨固加固拱的范圍被擴(kuò)大，多層加固拱之間聯(lián)系性增強(qiáng)，同時硐室頂板、兩幫和底板之間獲得聯(lián)系[6-8]；④漿液封堵巖體裂隙后，隔絕了外界空氣和水，阻止了內(nèi)部圍巖的風(fēng)化和浸泡軟化，提高了圍巖的長期穩(wěn)定性。

隨著注漿技術(shù)和注漿設(shè)備的逐步完善，注漿材料成為制約巖體注漿加固效果的關(guān)鍵因素[9-10]。從宏觀整體劃分，注漿材料主要包括無機(jī)材料和有機(jī)材料，及部分有機(jī)-無機(jī)混合材料。KYUNGHO P 等[11]以普通硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥、生物灌漿材料和硅酸鈉等為原料，研制出漿液的單軸抗壓強(qiáng)度比普通硅酸鹽水泥提高了30%以上。李利平等[12-13]研制了一種新型高分子注漿材料和一種新型化學(xué)堵水材料。王慧濤等[14]以過火煤矸石、水泥、黏土為原料，研制了一種適于含水層改造的新型無機(jī)注漿材料。ZHANG JW 等[15]通過超細(xì)硫鋁酸鹽熟料、超細(xì)硬石膏和超細(xì)生石灰研制了一種新型雙液灌漿材料。針對巖體微裂隙及特殊地質(zhì)條件下普通水泥基漿液擴(kuò)散性較差難以充滿裂隙空間的問題，ZHANG JX 等[16]研發(fā)了一種新型水泥基注漿材料-SJP 注漿材料。

上述注漿材料主要包括化學(xué)材料和水泥基材料?；瘜W(xué)注漿材料凝結(jié)時間易控、黏結(jié)性較好，但耐久性較弱、價格偏高，且部分有毒。水泥材料來源于天然礦物，雖然普通水泥基材料價格低廉，耐久性較好，但結(jié)石率低、凝固時間長。然而，通過在水泥基注漿材料中摻入外加劑能夠改善其性能特點(diǎn)，比如通過減水劑能夠?qū)崿F(xiàn)低摻水條件下的高流動度，通過速凝劑能夠改善水泥基材料凝固時間慢的問題，進(jìn)而滿足了工程要求。因此，水泥基注漿材料在巖體工程領(lǐng)域應(yīng)用相對較廣泛[17-19]。由材料學(xué)領(lǐng)域可知，水泥基材料普遍存在自收縮問題，水泥基漿液硬化后體積變小，這與裂隙空間充填膠結(jié)理念相違背。混凝土材料由于骨料可攪拌移動，而巖體裂隙空間位置固定，所以導(dǎo)致漿液結(jié)石與巖體之間膠結(jié)效果降低。2 種介質(zhì)的接觸連接對結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能起決定性作用，從課題組前期的試驗可以發(fā)現(xiàn)裂隙巖體注漿加固后仍沿著漿液-巖體界面破壞，且通過界面微觀掃描看出漿液與巖體之間存在明顯的空隙，說明由水泥基漿液自收縮導(dǎo)致的界面膠結(jié)不良的問題已成為制約水泥基注漿加固效果的瓶頸。通過水泥基注漿材料改性，以適應(yīng)其自收縮的性能成為當(dāng)前研究的主要方向[20-22]。

據(jù)此，基于課題組前期提出的“約束空間條件下通過膨脹劑改性水泥基漿液產(chǎn)生自應(yīng)力”理念[23-25]，考慮地下工程圍巖裂隙空間相對固定，巖體裂隙壁提供固定約束條件，水泥基漿液硬化體積膨脹補(bǔ)償自收縮后對約束空間產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，進(jìn)而提高了漿液結(jié)石與巖體之間的接觸擠壓應(yīng)力。該方法不僅解決了水泥基材料自收縮導(dǎo)致的漿液-巖體接觸不良及界面應(yīng)力松弛的問題，而且提高了2 種介質(zhì)交界面的擠壓應(yīng)力，改善了其應(yīng)力環(huán)境。該方法目前已經(jīng)通過初步研究證明了其優(yōu)勢與可行性，但是，研究相對粗獷，未考慮加固裂隙巖體的自身巖石強(qiáng)度。實際上，不同巖石強(qiáng)度巖體裂隙與自應(yīng)力漿液的耦合必然存在差異，造成不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體的自應(yīng)力漿液加固效果不同。

因此，筆者基于前期研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)考慮巖石自身強(qiáng)度的影響，根據(jù)巖石強(qiáng)度特征從高到低，依次選取了井下砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤為研究對象，分別通過自應(yīng)力漿液和普通超細(xì)水泥加固4 種巖石強(qiáng)度的巖體裂隙；對比研究不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體漿液加固的力學(xué)性能，多角度探究約束自應(yīng)力漿液加固巖體裂隙的界面作用機(jī)理；通過多個工程實踐，探究超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液對多種強(qiáng)度工程圍巖的加固應(yīng)用效果。本研究有助于形成不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體自應(yīng)力漿液加固體系，為不同巖石強(qiáng)度的地下工程圍巖自應(yīng)力漿液加固效果預(yù)測提供了一定的參考。

1 不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體自應(yīng)力漿液加固試驗

基于約束空間條件下通過膨脹劑改性水泥基漿液產(chǎn)生自應(yīng)力的思路，選取礦井砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤作為4 種巖石強(qiáng)度的巖體代表。對該4 種標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣進(jìn)行預(yù)制裂隙，通過自應(yīng)力漿液和普通超細(xì)水泥漿液分別對其進(jìn)行加固，對比研究不同巖石強(qiáng)度條件下2 種漿液對巖體裂隙的加固效果。

1.1 試件制備

從工程現(xiàn)場將巖塊運(yùn)至實驗室加工成直徑50 mm、高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。通過APW 水刀切割系統(tǒng)加工裂隙，必須保證每類巖石的預(yù)制裂隙尺寸完全相同，盡量保證不同強(qiáng)度巖石的預(yù)制裂隙尺寸一致。根據(jù)常規(guī)巖體在單軸壓縮狀態(tài)下多沿著近似對角線破壞，所以經(jīng)過反復(fù)斟酌和考量，設(shè)計預(yù)制裂隙長度為75 mm，傾角為68°，裂縫寬度為3 mm，裂縫均貫通巖體。在加工過程中，砂巖和炭質(zhì)泥巖成功預(yù)制出上述尺寸裂隙，而由于高壓水反射流壓力仍較大，砂質(zhì)泥巖和煤體加工時試件破壞。因此，縮短砂質(zhì)泥巖和煤體試樣的預(yù)制裂隙長度均為50 mm，砂質(zhì)泥巖傾角不變，煤體傾角調(diào)整為豎直方向，裂隙得到成功制作。

1.2 試驗方案

每類巖石試樣共分成4 組，分別為完整試樣、裂隙試樣、普通注漿試樣(下面簡稱普注)和自應(yīng)力注漿試樣(簡稱下面自注)，如圖1 所示。普注試樣采用普通超細(xì)硅酸鹽水泥漿液，自注試樣采用自應(yīng)力漿液(自應(yīng)力漿液為90%普通超細(xì)硅酸鹽水泥+10%U 型膨脹劑)。漿液水灰比均為0.45。該自應(yīng)力漿液配方是根據(jù)已完成的不同膨脹劑摻量自應(yīng)力漿液試驗結(jié)果而確定的[22-23]。

圖1 不同強(qiáng)度代表裂隙巖體試樣Fig.1 Fractured rock mass samples with different strength

注漿方法為：首先將裂隙巖體試樣側(cè)躺于自主研發(fā)的約束空間標(biāo)準(zhǔn)試模[23-24](圖2)中；然后，在側(cè)面通過注射器將漿液灌入裂隙，保證裂隙灌滿；最后，將試模封閉，通過適量注水對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待28 d 后拆分試模，對試件表面進(jìn)行適當(dāng)清理打磨后，進(jìn)行單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗。每組試驗均重復(fù)進(jìn)行3 遍，選取中間組作為最終數(shù)據(jù)。

圖2 約束空間標(biāo)準(zhǔn)試模Fig.2 Constrained standard space test mould

1.3 試驗設(shè)備

水刀切割速率根據(jù)不同巖石強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。壓力試驗機(jī)為島津AG-X250 電子萬能試驗機(jī)，為采用高清攝像機(jī)記錄巖體破壞的宏觀動態(tài)過程，加載速率設(shè)定為0.001 mm/s。聲發(fā)射采用PCI-2 聲發(fā)射系統(tǒng)，將巖體試樣與傳感器進(jìn)行固定，傳感器布置于試樣中間部位，在傳感器與巖體之間涂抹凡士林以耦合，然后進(jìn)行斷鉛測試，確保傳感器的幅值信號在90 dB 以上。

1.4 試驗結(jié)果與分析

1.4.1裂隙巖體單軸壓縮試驗分析

選取4 種強(qiáng)度代表性的巖石作為注漿加固對象，分別為砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤，4 種巖體的完整試樣、裂隙試樣、普注試樣和自注試樣在單軸壓縮試驗條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示。

圖3 巖體試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curves of rock samples

由圖3 可以看出，每一種巖石強(qiáng)度的4 類巖體在單軸壓縮試驗中均經(jīng)歷了常規(guī)的壓密階段、彈性變形和破壞階段。除砂質(zhì)泥巖外，完整試樣基本達(dá)到彈性變形峰值后瞬間破壞，沒有明顯的塑性變形；對同一巖石強(qiáng)度而言，裂隙試樣和注漿加固試樣的塑性變形階段均比完整巖樣更明顯，表現(xiàn)出漸進(jìn)破壞特征，這與宏觀裂縫發(fā)展規(guī)律一致。砂質(zhì)泥巖的4 類試樣表現(xiàn)出了能量積累后的臺階式釋放特征。

預(yù)制裂隙后巖體的峰值強(qiáng)度大幅度下降，砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤的峰值強(qiáng)度分別為完整試樣的13.41%、27.10%、20.91%、45.62%。普注砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤的峰值強(qiáng)度分別為裂隙試樣的2.09、1.88、3.29 和1.74 倍。自注砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤的峰值強(qiáng)度分別為裂隙試樣的2.33、2.14、4.22、1.82 倍。說明所有巖石強(qiáng)度巖體裂隙注漿充填加固后，漿液凝結(jié)硬化與巖體成為整體，其強(qiáng)度得到明顯提高。

通過自注巖體和普注巖體力學(xué)性能對比可知，自注砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤的峰值強(qiáng)度分別為對應(yīng)普注巖體的1.11、1.14、1.28、1.05 倍，說明自應(yīng)力漿液加固巖體裂隙效果優(yōu)于普通漿液，通過裂隙壁約束條件下自應(yīng)力漿液結(jié)石與巖體之間的接觸應(yīng)力環(huán)境以及2 種介質(zhì)的耦合連接方式獲得了改善，表現(xiàn)出了宏觀力學(xué)性能地提高。

裂隙巖體的峰值應(yīng)變應(yīng)最小，因為其巖體結(jié)構(gòu)存在明顯的弱面，當(dāng)其彈性變形達(dá)到峰值之后即裂紋沿著預(yù)制裂隙尖端發(fā)展至破壞，巖體自身基本未發(fā)生塑性變形。注漿加固后弱面被強(qiáng)化，變形整體性得到提高，所以峰值應(yīng)變一般呈增大狀態(tài)，而砂巖和煤未表現(xiàn)出此現(xiàn)象。對于砂巖而言，由于注漿加固砂巖裂隙后其強(qiáng)度也遠(yuǎn)未達(dá)到完整試樣，但是注漿巖樣的彈性模量與完整試樣較為接近，所以注漿加固后巖樣的峰值應(yīng)變并未表現(xiàn)出增加；對于煤而言，由于煤自身較軟，原生裂隙發(fā)育，水刀加工過程的動力擾動影響明顯，裂隙試樣彈性變形過程不明顯，在受壓過程中很多微觀空隙及裂隙閉合后仍能繼續(xù)承載，所以其峰值應(yīng)變較大。另外，與普通注漿材料相比，自應(yīng)力注漿材料強(qiáng)度提高，脆性增強(qiáng)[23]，變形能力減弱，所以理論上自注試樣峰值應(yīng)變應(yīng)小于普注試樣。

1.4.2不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體漿液加固效果分析

注漿是對巖體弱面的修補(bǔ)和加固，難以使巖體弱面強(qiáng)度增加到超過巖體自身強(qiáng)度，因為最終巖體破壞形態(tài)仍為沿裂隙面的滑移破壞。為對比分析4 種巖石強(qiáng)度注漿加固巖體的強(qiáng)度恢復(fù)效果，定義巖石的強(qiáng)度剩余系數(shù) ψ為裂隙巖體強(qiáng)度或注漿加固巖體強(qiáng)度與完整巖石強(qiáng)度的比值，即

式中，P1為裂隙巖體強(qiáng)度或注漿加固巖體強(qiáng)度；P0為完整巖石試樣的強(qiáng)度。

表1 為不同巖石強(qiáng)度的巖體強(qiáng)度剩余系數(shù)。由表1 可知，裂隙砂巖及注漿加固試樣峰值強(qiáng)度的剩余系數(shù)低于煤樣、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖。由砂巖到煤，隨著巖體強(qiáng)度的降低，注漿加固試樣的強(qiáng)度剩余系數(shù)呈增大的趨勢，雖然自應(yīng)力漿液加固煤體的強(qiáng)度剩余系數(shù)小于砂質(zhì)泥巖，但整體趨勢依然明顯。注漿加固對裂隙巖體強(qiáng)度的恢復(fù)程度排序為砂巖 ＜ 炭質(zhì)泥巖 ＜砂質(zhì)泥巖 ＜ 煤，即巖體自身強(qiáng)度越高，注漿加固對裂隙巖體的修復(fù)程度越低。這是由于一般預(yù)制裂隙巖體試樣的弱面始終為漿-巖交界面，注漿加固僅為對巖體弱面的修補(bǔ)和加固，難以使弱面增強(qiáng)超過巖體自身強(qiáng)度，巖體最終破壞形態(tài)為沿裂隙面的滑移破壞。

表1 不同巖石強(qiáng)度的巖體強(qiáng)度剩余系數(shù)Table 1 Strength residual coefficients of rock masses with different strength

圖4 為典型泰山石母巖與漿脈。其中，漿脈為母巖形成后在地質(zhì)運(yùn)動作用下的巖漿巖侵入，這與巖體裂隙注漿過程非常相似[26-27]。而泰山石漿脈強(qiáng)度一般不低于母巖強(qiáng)度，因為壓縮試驗過程中巖樣并未沿著漿脈破壞。所以，注漿漿液在特殊條件下經(jīng)過長時間的地質(zhì)作用有可能超過原巖強(qiáng)度。但是目前工程裂隙巖體的注漿環(huán)境與巖漿巖高溫、高壓環(huán)境下侵入存在明顯的差別，所以，目前巖體注漿加固后(特別是硬巖)，裂隙位置的力學(xué)性能難以達(dá)到原巖強(qiáng)度。

圖4 泰山石母巖與漿脈Fig.4 Parent rock and magma vein of Taishanite

漿-巖界面強(qiáng)度除與巖體自身強(qiáng)度有關(guān)外，主要還與結(jié)石體強(qiáng)度、漿-巖界面的黏聚力、漿-巖界面的摩擦因數(shù)、漿-巖界面的壓力等有關(guān)。巖體自身強(qiáng)度越大，注漿加固后巖體的強(qiáng)度越大，但其增大幅度遠(yuǎn)低于巖體自身強(qiáng)度的增大幅度，所以，注漿加固對裂隙巖體的加固修復(fù)程度隨巖體自身強(qiáng)度增大而降低。而2 種漿液對比而言，自注巖體試樣的強(qiáng)度剩余系數(shù)均大于普注巖體試樣，說明自應(yīng)力漿液對巖體裂隙的修復(fù)程度高于普通漿液。

1.4.3裂隙巖體單軸壓縮破壞特征分析

圖5～8 分別為各砂巖、各炭質(zhì)泥巖、各砂質(zhì)泥巖、各煤試樣單軸壓縮破壞過程中應(yīng)力、能量隨加載時間變化規(guī)律以及宏觀裂紋擴(kuò)展示意。

圖5 砂巖試樣單軸壓縮破壞過程Fig.5 Failure process of sandstone specimens under uniaxial compression

圖6 炭質(zhì)泥巖試樣單軸壓縮破壞過程Fig.6 Failure process of carbonaceous mudstone specimens under uniaxial compression

上述各巖石強(qiáng)度巖體在單軸壓縮破壞過程中的初始壓密階段，試樣與壓力機(jī)的交界面被壓密，對應(yīng)聲發(fā)射較弱，波動較小。線彈性變形階段主要為試樣彈性能儲存階段，能量波動也普遍較小。各組試樣宏觀破壞階段存在一定差異，完整試樣在單軸壓縮過程中，裂紋在原生裂紋和次生裂紋的基礎(chǔ)上沿著最大主應(yīng)力的方向擴(kuò)展，隨著壓力逐漸增大，出現(xiàn)一條明顯近乎貫通沿(4 5°+φ/2)方向的裂隙，砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖表現(xiàn)為整體剪切破壞，煤樣表現(xiàn)為局部劈裂彈射破壞。

裂隙試樣在單軸壓縮過程中彈性能逐漸積聚，預(yù)制裂隙成為了結(jié)構(gòu)弱面的基礎(chǔ)，裂隙試樣最終形態(tài)為沿著預(yù)制裂隙的整體剪切破壞；注漿加固巖體在壓縮過程中初始裂紋首先位于漿液結(jié)石與巖體的交界處，在漿-巖界面裂紋的基礎(chǔ)上向試樣兩端擴(kuò)展至貫通裂隙，最終也表現(xiàn)為沿著預(yù)制裂隙的整體剪切破壞。

其中，注漿加固砂巖試樣沿著預(yù)制裂隙方向剪切破壞的形態(tài)最規(guī)整，基本不存在其他方向的裂紋擴(kuò)展；注漿加固炭質(zhì)泥巖試樣在沿著預(yù)制裂隙方向剪切破壞的同時，伴隨著少量水平裂紋或局部破碎；注漿加固砂質(zhì)泥巖試樣的破壞形態(tài)為沿漿巖界面的剪切破壞并伴隨其他劈裂破壞。因此，隨著巖石強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，注漿加固巖體逐漸由沿著對角線方向剪切破壞向劈裂崩解破壞過渡，即巖石強(qiáng)度越弱，巖體和注漿加固巖體的剪切滑移破壞形態(tài)越弱。

2 自應(yīng)力漿液-巖體界面加固機(jī)理

2.1 自應(yīng)力漿液加固巖體優(yōu)勢分析

自應(yīng)力漿液加固巖體具有3 方面的優(yōu)勢：①漿液結(jié)石體-巖體界面的受力狀態(tài)得到改善：在裂隙約束空間內(nèi)注漿漿液結(jié)石體積膨脹補(bǔ)償自收縮之后對巖體產(chǎn)生膨脹擠壓作用，而裂隙壁通過限制注漿結(jié)石體體積膨脹而對其施加約束應(yīng)力，所以漿液結(jié)石與巖體之間的接觸擠壓應(yīng)力必然被提高，整體約束受力狀態(tài)得到改善。在2.2 節(jié)通過建立力學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)與分析。②漿-巖2 種介質(zhì)的接觸連接效果得到提升：在膨脹擠壓應(yīng)力的驅(qū)動作用下，漿液結(jié)石與巖體之間的接觸滲透作用增強(qiáng)，部分注漿材料晶體能夠深入巖體裂隙壁，2 種介質(zhì)的接觸效果被提高，在2.3 節(jié)通過SEM 微觀結(jié)構(gòu)分析能夠明顯看出。③約束條件下注漿材料自身結(jié)構(gòu)與性能被提高：在注漿材料體積膨脹過程中受到裂隙巖體的約束作用，漿液結(jié)石體晶體結(jié)構(gòu)將會發(fā)生改變，水泥結(jié)石中空隙被擠壓充填，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實性增強(qiáng)，力學(xué)性能也被顯著提升，在2.4節(jié)通過SEM 電鏡掃描能夠清晰其密實性。

2.2 裂隙巖體自應(yīng)力漿液加固力學(xué)模型

以一規(guī)則單裂隙巖體為例，推導(dǎo)約束膨脹應(yīng)力作用下漿-巖界面受力特征的變化，以及試樣抗剪強(qiáng)度的提高。假設(shè)裂隙傾斜角度為θ，漿-巖界面處的膨脹擠壓應(yīng)力為σp(膨脹應(yīng)力僅能夠改善界面處的接觸應(yīng)力，不至于對試樣的外部受力狀態(tài)造成影響)，試樣豎直應(yīng)力為σ1，水平應(yīng)力為σ2，如圖9 所示[24]。

圖9 單裂隙巖體自應(yīng)力漿液加固力學(xué)模型Fig.9 Mechanical model of self-stress grouting reinforcement for single fractured rock mass

采用傳統(tǒng)滑動模型對其進(jìn)行受力分析，當(dāng)裂隙面的有效剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時將發(fā)生滑動破壞。根據(jù)摩爾庫倫理論，裂隙面處有效剪應(yīng)力為

式中，τeff為有效剪應(yīng)力；τxy為裂隙面處剪應(yīng)力；f為漿-巖界面摩擦力；σn為漿-巖界面處正應(yīng)力；μ為漿-巖界面的摩擦因數(shù)。

普通注漿加固后漿-巖界面處的正應(yīng)力為

自應(yīng)力漿液加固后，在膨脹應(yīng)力的作用下漿-巖界面處的正應(yīng)力為(σn+σp)，所以摩擦力f1變?yōu)?/p>

自應(yīng)力漿液加固后界面的有效剪應(yīng)力τeff1為

自應(yīng)力漿液后裂隙面處的有效剪應(yīng)力的降低值Δ1為

所以膨脹應(yīng)力導(dǎo)致漿-巖界面的摩擦力增大，進(jìn)而有效剪應(yīng)力減小，與裂隙面的抗剪強(qiáng)度差值加大，更遠(yuǎn)離了破壞臨界點(diǎn)，所以若使界面處有效剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度需要外部施加更大的作用力。因此，在約束膨脹應(yīng)力作用下漿-巖界面的約束受力狀態(tài)得到改善，加固結(jié)構(gòu)能夠承受外界更大的載荷。

2.3 漿液結(jié)石-巖體界面微觀結(jié)構(gòu)分析

通過上述力學(xué)分析可以看出，約束狀態(tài)下漿液結(jié)石體膨脹應(yīng)力能夠提高漿-巖界面之間的約束，進(jìn)而促使?jié){液與巖體之間實現(xiàn)更好的耦合。為實現(xiàn)2 種漿液加固巖體界面結(jié)構(gòu)的可視化，從微觀角度對比分析2 種漿-巖界面的耦合差異，采用FEI Nova nano 450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(圖10)對2 種漿-煤界面進(jìn)行掃描分析。試樣均從力學(xué)試驗后獲得，掃描試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm。圖11 為普通漿液與煤體界面的電鏡圖像，圖12 為自應(yīng)力漿液與煤體界面的電鏡圖像。

圖10 FEI Nova nano 450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡Fig.10 FEI Nova nano field emission scanning electron microscope

圖11 普通漿液與煤體界面的電鏡圖像Fig.11 Electron microscope images of the interface between ordinary slurry stone body and coal

由圖11 可知，當(dāng)普通漿液加固煤體時，巖-漿界面氫氧化鈣和鈣礬石含量較少，界面礦物結(jié)構(gòu)較為松散，礦物多以點(diǎn)狀分布，相對雜亂，界面膠結(jié)密度較低，孔隙較多且分布不均勻，孔隙連接性較差，沒有形成明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以普通漿液加固煤體的強(qiáng)度較低，說明漿液結(jié)石體未能與煤體表面完全接觸，造成其強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。

由圖12 可知，自應(yīng)力漿液加固煤體時，漿-巖界面的微觀結(jié)構(gòu)與普通漿液加固明顯不同，能夠清晰的看到針狀鈣礬石和六方體形狀的氫氧化鈣晶體，巖-漿界面礦物排列有序，且顆粒大小均勻，界面膠結(jié)密度較高，雖然存在孔隙，但孔隙率和孔隙大小均小于普通漿液加固煤體，所以自應(yīng)力漿液約束空間內(nèi)產(chǎn)生的自應(yīng)力能使?jié){液有效充填煤體間的空隙，使煤體整體性得到提高，加固體的強(qiáng)度也隨之提高。這從微觀角度詮釋了自應(yīng)力漿液-巖體界面的力學(xué)性能優(yōu)于普通漿液-巖體界面。

2.4 漿液結(jié)石體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能分析

為分析約束狀態(tài)下膨脹作用對漿液結(jié)石體自身結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了普通漿液和自應(yīng)力漿液結(jié)石的SEM 掃描試驗和抗壓強(qiáng)度試驗。

其中，微觀結(jié)構(gòu)試驗采用電子顯微鏡對約束狀態(tài)下膨脹劑摻量0、10%水泥漿液結(jié)石體進(jìn)行掃描。對2 種漿液結(jié)石體均進(jìn)行成像，選取10 μm 為例進(jìn)行分析[23]。2 種漿液結(jié)石體掃描圖像如圖13 所示。

通過圖13 可以看出，與普通漿液結(jié)石相比，自應(yīng)力漿液結(jié)石的微觀結(jié)構(gòu)更密實。普通漿液結(jié)石顆粒分布不均，空隙較多；自應(yīng)力漿液結(jié)石顆粒分布較均勻，顆粒結(jié)構(gòu)之間連接更緊密，有利于強(qiáng)度的發(fā)揮。雖然自應(yīng)力漿液結(jié)石晶體之間也存在部分空隙，但明顯少于普通漿液結(jié)石。所以，約束作用下漿液體積膨脹有利于自身密實性的提高。

另外，筆者課題組已經(jīng)進(jìn)行了自應(yīng)力漿液結(jié)石體強(qiáng)度與普通漿液結(jié)石體強(qiáng)度試驗[23]，試驗結(jié)果見表2。由表2 可以看出，自應(yīng)力漿液結(jié)石的峰值強(qiáng)度比普通漿液結(jié)石體提高50.37%，自應(yīng)力漿液結(jié)石的峰值應(yīng)變比普通漿液結(jié)石體降低23.18%，自應(yīng)力漿液結(jié)石體的彈性模量比普通漿液結(jié)石體提高7.8%。在自應(yīng)力作用下，結(jié)石體密實性得到改善，結(jié)石體剛度增大，強(qiáng)度和彈性模量均得到提高。

3 工程案例與分析

根據(jù)上述研究，對超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液加固不同巖石強(qiáng)度圍巖的工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析。貴州老洼地煤礦1750 軌道石門代表以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的軟巖巷道，貴州昌興煤礦+1 460 m 運(yùn)輸石門代表以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主的相對硬巖巷道，桑樹坪2 號井3303 巷道煤幫代表松軟煤體，分別通過超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液對其進(jìn)行加固。

3.1 破碎軟巖巷道加固應(yīng)用

老洼地煤礦1750 軌道石門頂?shù)装逯饕阅鄮r和泥質(zhì)粉砂巖為主，由于受到多次采動影響，巷道頂板和幫部變形嚴(yán)重(圖14)，已嚴(yán)重影響礦井通風(fēng)、輔助運(yùn)輸和行人，需要進(jìn)行擴(kuò)修。1750 軌道石門原方案采用錨網(wǎng)+U 型鋼+澆筑混凝土支護(hù)，屬于典型的被動支護(hù)，初期支護(hù)強(qiáng)度較低，現(xiàn)采用基于超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液的錨注支護(hù)方案。

支護(hù)方案為：Q400-φ22 mm×2 600 mm 左旋高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿(圖15)，間排距為1 600 mm× 2 400 mm；Q1860-φ21.6 mm×4 300 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索，間排距為1 600 mm×2 400 mm；Q500-φ22 mm×2 400 mm左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×2 400 mm；Q1860-φ21.6 mm×6 500 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1 600 mm×2 400 mm。注漿材料采用超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力注漿漿液，具體為42.5 號水泥+10%復(fù)合外加劑(以膨脹劑為主)。

圖15 左旋高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿Fig.15 Left-handed high-strength pre-stressed grouting bolt

通過基于超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液的錨注支護(hù)方案，1750 軌道石門圍巖實現(xiàn)了整體穩(wěn)定，頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟啃∮?0 mm，取消了巷道反復(fù)重修，實現(xiàn)了一次性成功支護(hù)。

3.2 大松動圈相對硬巖巷道加固應(yīng)用

昌興煤礦+1 460 m 運(yùn)輸石門經(jīng)過多次擴(kuò)修，圍巖松動范圍急劇擴(kuò)大，屬于特大松動圈巷道。巷道頂?shù)装逯饕獮樯皫r和砂質(zhì)泥巖，原方案采用錨網(wǎng)+架棚支護(hù)，雖然錨桿索支護(hù)強(qiáng)度很大，但出現(xiàn)錨桿索增阻不明顯，圍巖整體變形的情況，造成巷道必須維修。圖16為+1 460 m 運(yùn)輸石門維修前的變形情況。

圖16 +1 460 m 運(yùn)輸石門維修前的變形情況Fig.16 Deformation of +1 460 m transportation cross-cut before repair

據(jù)此，采用基于超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液的錨-噴-注支護(hù)方案，通過超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液將松散破碎的砂巖和砂質(zhì)泥巖進(jìn)行充填密實，改善其完整性。首先掛網(wǎng)，然后施打預(yù)應(yīng)力注漿錨索和高強(qiáng)錨索，再噴漿封堵表面裂隙，最后注漿。支護(hù)方案為：Q1860-φ21.6 mm×6 300 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索，每根匹配(1～2)個K2570 樹脂藥卷，預(yù)應(yīng)力不小于50 kN，間排距為1 200 mm×2 000 mm；Q1860-φ21.6 mm×7 300 mm 高強(qiáng)錨索，每根匹配2～3 個K2570 樹脂藥卷，預(yù)應(yīng)力不小于120 kN，間排距為1 200 mm×2 000 mm；注漿材料采用超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力注漿漿液，具體為42.5 號水泥+10%復(fù)合外加劑(以膨脹劑為主)。

圖17 為+1 460 m 運(yùn)輸石門圍巖注漿加固效果。通過現(xiàn)場觀測可知，+1 460 m 運(yùn)輸石門維修后28 d 內(nèi)圍巖基本沒有變形，穩(wěn)定后的最大變形量小于60 mm，說明錨-噴-注支護(hù)方案能夠良好的控制圍巖變形，基于噴漿的表層封堵作用，超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力注漿加固能夠改善破碎圍巖的整體性，增強(qiáng)注漿加固范圍內(nèi)圍巖的自承載能力，使之能夠承載深部圍巖應(yīng)力釋放。

圖17 +1 460 m 運(yùn)輸石門圍巖注漿加固效果Fig.17 Grouting reinforcement effect of +1 460 m transport cross-cut surrounding rock

3.3 松軟煤體加固應(yīng)用

桑樹坪2 號井主采3 號煤，平均傾角6°，平均厚度5.8 m，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤的堅固性系數(shù)為0.3～0.8，實測煤層中瓦斯含量為6～10 m3/t，屬于極松軟煤層高瓦斯礦井。目前3303 巷道由于煤體松軟破碎、裂隙分布廣泛，且采高較大，煤壁片幫嚴(yán)重，抽排時瓦斯逃竄嚴(yán)重，抽排率較低。

巷道臨時支護(hù)使用3 組吊環(huán)式前探梁配合單體液壓支柱，永久支護(hù)為錨網(wǎng)索系統(tǒng)。為控制煤體片幫，提高瓦斯抽排率，采用超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力注漿材料對工作面一側(cè)的煤幫進(jìn)行注漿加固。每排布置3 根φ22 mm×3 500 mm 補(bǔ)強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿，間排距為700 mm×800 mm，并配1 根5.0 m 長140×30T 型鋼帶和2 根φ14 mm×2.8 m 圓鋼幫梯，每根錨桿配2 個φ28 mm×60 mm 柔性止?jié){塞。

通過煤幫補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，片幫問題基本消除，幫部整體性大大提高，原破碎煤幫和注漿加固煤體如圖18 所示。另外，采用固定式瓦斯監(jiān)測儀分別對現(xiàn)場未注漿100 m 位置、注漿中間100 m 位置的巷道段進(jìn)行瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測，將28 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成圖19[28]。其中圖19(a)為72～81 號排未注漿巷道段的瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，半數(shù)以上的觀測日期內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測值低于30%，平均監(jiān)測值為29.92%；圖19(b)為111～120 號排注漿巷道中部段的瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，該組瓦斯抽排體積分?jǐn)?shù)普遍提高，在2/3 以上觀測日期內(nèi)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測值超過30%，其平均值為42.69%，比未注漿的瓦斯體積分?jǐn)?shù)含量提升42.68%。

圖18 原破碎煤幫和注漿加固煤體Fig.18 Original broken coal wall and grouting-reinforced coal body

圖19 28 d 瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化Fig.19 Change of gas concentration monitored in 28 days

4 結(jié)論與展望

(1)自應(yīng)力漿液適應(yīng)于高應(yīng)力約束狀態(tài)下地下工程裂隙巖體的注漿加固。自應(yīng)力漿液加固巖體裂隙具有3 方面的優(yōu)勢：改善漿液結(jié)石體-巖體界面的受力狀態(tài)，提升漿-巖2 種介質(zhì)的接觸連接效果，提高約束條件下注漿材料自身結(jié)構(gòu)與性能。自應(yīng)力漿液加固砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤體的峰值強(qiáng)度分別為普通漿液加固峰值強(qiáng)度的1.11、1.14、1.28、1.05 倍，說明自應(yīng)力漿液加固裂隙巖體的效果優(yōu)于普通漿液。

(2)注漿加固對裂隙巖體強(qiáng)度的恢復(fù)程度排序為砂巖 ＜ 炭質(zhì)泥巖 ＜ 砂質(zhì)泥巖 ＜ 煤，即巖體自身強(qiáng)度越高，注漿加固對裂隙巖體的加固修復(fù)程度越低。隨著巖石強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，注漿加固巖體逐漸由沿著對角線方向剪切破壞向劈裂崩解破壞過渡，即巖石強(qiáng)度越弱，巖體和注漿加固巖體的剪切滑移破壞形態(tài)越弱。

(3)超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液體系加固老洼地煤礦1750 軌道石門破碎軟巖巷道后，頂、底板和兩幫最大變形量小于50 mm，取消了巷道反復(fù)重修；加固昌興煤礦+1 460 m 運(yùn)輸石門大松動圈相對硬巖巷道后，28 d 內(nèi)圍巖基本沒有變形，穩(wěn)定后最大變形量小于60 mm；加固桑樹坪2 號井松軟煤幫后，片幫問題基本消除，瓦斯抽排體積分?jǐn)?shù)明顯提高。

筆者基于前期研究基礎(chǔ)，主要對比了超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液對不同巖石強(qiáng)度裂隙巖體的加固效果。然而，目前的研究相對粗獷，尚未通過精準(zhǔn)試驗定量研究約束狀態(tài)下膨脹應(yīng)力對裂隙巖體的作用效果。實際上，不同巖石強(qiáng)度的裂隙巖體應(yīng)存在不同的最佳超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液。后續(xù)課題組準(zhǔn)備針對裂隙巖體自身強(qiáng)度，研制不同的超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液，形成裂隙巖體超細(xì)硅質(zhì)自應(yīng)力漿液體系。