松散介質注漿模擬試驗研究

梁飛林，秦秀山，陳何，謝源

(1.湖南省煤業集團金竹山礦業有限公司，湖南 婁底 417505；2.華錫集團銅坑礦，廣西 南丹 545006)

引言

在地下工程中，對于松散破碎圍巖巷道的支護一直是個難題，尤其是當巷道圍巖破碎范圍較大且比較嚴重時，單純采用錨桿支護很難有效地控制巷道圍巖的變形[1-2]，保證其穩定性。

因此需要對此類巷道進行注漿加固，以改變圍巖的松散結構，提高圍巖間的粘結力和內摩擦角，封閉、充填圍巖的裂隙，改善圍巖的力學性能，提高巖體自身的強度[3]。松散體內注漿能為錨桿在圍巖中提供可靠的著力基礎，進而使錨桿對圍巖的錨固作用能夠得以充分發揮[4]。

在松散體地層中注漿，往往要求注入的漿液能形成連續、穩定的膠結體，這時注漿孔的距離必須依據漿液的擴散半徑而定[5]。如何合理確定漿液的擴散速度和擴散半徑是長期以來尚未解決的技術難題。

在目前的注漿設計和施工中，注漿孔距和漿液擴散速度主要是憑借經驗確定，很可能因孔距過大或過小而出現工程質量問題或投資上的浪費[6]。漿液的擴散速度和擴散半徑主要取決于介質結構參數、漿液的性質和注漿工藝參數[7-8]。

本文通過地表對松散體進行模擬注漿試驗，得出漿液的擴散速度、擴散半徑及其影響因素之間的關系，以便指導工程實踐。

1 模型制作

1)用木板制作兩套相同的長方體形試驗模型，底部和四周封閉，上部開口，尺寸為2 m×2 m×1.5 m。

2)在模型底面垂直方向上每隔200 mm設置一個直徑20 mm的觀察孔，共11個孔。

3)需要人工將碎石塊裝填入試驗模型，并提前按設計位置和傾角要求預埋注漿鋼管。

模型的具體參數和現場照片分別如圖1和圖2所示。

圖1 注漿試驗設計圖 /mm

圖2 現場模型照片

2 現場設備布置

1)現場所需設備及布置如圖3所示。

1-孔口管；2-高壓膠管；3-注漿泵；4-水泥儲漿桶；5-水玻璃儲漿桶；6-水泥攪拌桶；7-水箱；8-配電盤

2)試驗場地選在地表空曠區域，保證水、電和材料的供應。

3 試驗步驟

1)按設計的漿液配比攪拌好水泥漿和水玻璃漿液準備注漿。水泥漿的水灰比為1：1，雙液注漿時水泥水玻璃體積比C：S=1：0.3～0.8。

2)用鐵絲扎好連接處，管路按照圖3所示順序連接。在系統不連接試驗臺的情況下，用清水對注漿系統進行測試，確保一定壓力下不爆管、不跑漿。

3)連接管路，開始注漿。

注漿過程開始時要先使用清水，使之浸濕毛細裂隙，以便使注漿半徑擴大。然后再用水灰比為1：1 的漿液注漿，當觀察孔中漿液大量出現時，及時改用水泥—水玻璃雙液注漿(水灰比為1：1，水玻璃35Be’，配比實驗中確定的最佳注漿配比1：0.3～0.8)使水泥加速凝結，達到既能加強破碎巖體強度又能使擴散半徑控制在理想范圍內的目的。

注漿過程中隨時注意模型下部觀察孔，當觀察孔中有漿液出現時，記錄漿液出現的時間和相應注漿量，連續注漿并觀察下一個觀察孔。

4)結束注漿，當初期水泥漿大量出現的觀察孔漿液停止出現時，即可結束注漿。

5)注漿結束后，必須及時用清水沖洗注漿系統，防止漿液凝固堵塞設備管路。

4 試驗結果分析

4.1 試驗觀察分析

注漿時，注漿壓力由低逐漸升高，在壓力升高過程中常常出現不穩定狀態。一方面是因為從注漿泵里出來的漿液雖然經過了注漿管緩沖，但其壓力仍存在一定的波動性；另一方面是因為漿液在松散體中流動時常遇到松散巖石構成的孔隙，而遇到松散巖石及其接觸面縫隙這樣交替出現導致壓力來回波動。

注漿結束模型養護一周后取樣觀察，可見在漿液擴散到的范圍內，漿液充填密實與松散巖石膠結良好，如圖4 所示。在漿液膠結范圍外，松散巖石層有水浸透，水灰比較大時更為明顯，這說明水泥漿液析水性較強。

圖4 注漿后結石體

被漿液充填膠結的結石體呈圓柱體或圓臺體，注漿壓力小時膠結范圍明顯變小。漿液在各種情況下擴散都較均勻，充填密實。

4.2 試驗數據分析

本次松散體地表模擬注漿試驗所得數據如表1所示。

表1 試驗數據記錄表

對表1中數據進行曲線擬合，如圖5所示。

圖5 注漿擴散范圍和注漿時間關系圖

從圖5分析可知：注漿擴散半徑隨注漿時間的延長而擴大，注漿半徑的擴大速度在注漿前期較快而后期較慢；注漿擴散半徑與注漿時間呈非線性關系，注漿擴散半徑存在極限值。

注漿漿液當水灰比小時，漿液多為非牛頓流體，漿液具有一定的抗剪強度。在漿液泵動力作用下，以一定的注漿壓力注入松散巖體，當注漿影響范圍內孔隙和巖體對漿液的阻力與注漿壓力平衡時，漿液就停止擴散、滲透和流動，經過一段時間后，固結體才能達到強度要求。

4.3 作用機理分析

在松散體和裂隙極發育的節理裂隙巖體中注漿，類似于土體壓密和劈裂注漿。壓密注漿是通過漿液擠壓相鄰巖體達到加固目的，如圖6；劈裂注漿是當裂隙發育且裂隙擴展強度小于漿液的擠壓流動力時，通過漿脈來擠壓加固節理裂隙巖體，如圖7。

圖6 壓密注漿

圖7 劈裂注漿

1)壓密充填階段：注漿初期，漿液所具備的能量不大，注漿壓力小，不能劈裂巖體，漿液聚集在注漿孔端附近，在松散巖體中形成橢球形漿液體，漿液驅動小直徑松散體，隨后漿液向周圍按照球面擴散原理滲透并形成固結體。

2)劈裂流動階段：隨著松散巖體壓密固結后，當漿液壓力增大到一定程度，漿液會沿節理裂隙巖體劈裂流動，劈裂面發生在阻力最小的主應力面，此階段的特點是注漿壓力突然降低，注漿量增大。

5 結論

1)注漿擴散半徑隨著注漿壓力、注漿時間、滲透系數的增大而增大，呈非線性關系。在一定的注漿壓力和滲透系數條件下，注漿擴散半徑存在極限值。

2)漿液在松散體中的最大擴散半徑是由地層本身的結構決定的。當地層條件一定時，漿液的擴散半徑主要與漿液的性質和注漿的工藝參數有關。

3)在松散體等節理裂隙極為發育的巖體中注漿，注漿過程可分為壓密充填和劈裂流動兩個階段，二者在作用機理和表現形式上有所不同。

本文得出的漿液擴散半徑與注漿介質結構、注漿時間、水灰比等因素的相關規律，對指導注漿工程設計和注漿效果預測等具有很重要的指導作用和現實意義。

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