基于水力壓裂法的破碎圍巖探注協(xié)同機制及控制技術(shù)研究*

王進尚，張亞峰，王玉玲，李潤澤，楊藝杰

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450044)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國地下工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，陸續(xù)建設(shè)一大批重大基礎(chǔ)工程。由于隧道地質(zhì)條件、地下工程項目建設(shè)深度的不斷增加，導(dǎo)致地應(yīng)力也將增大，在隧道和巷道施工過程中，頂板坍塌事故時有發(fā)生，對地下工程安全有著直接影響。尤其當?shù)叵鹿こ淌┕び龅綇?fù)雜破碎松散地質(zhì)構(gòu)造，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性有所降低，為地下工程圍巖涌水、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害提供條件，形成大量裂隙，誘發(fā)涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，直接影響正常生產(chǎn)掘進[1-2]。地下工程施工中遇到破碎帶時，形成圍巖多風化破碎，具有穩(wěn)定性差、受力復(fù)雜等特點[3-4]。如何徹底解決破碎圍巖注漿問題，是當今地下空間科技領(lǐng)域中比較熱門的命題。水壓致裂法是一種預(yù)防構(gòu)造突然坍塌的重要措施之一，目前由于海姆森經(jīng)驗公式中巖石的抗拉強度試驗測得的誤差較大，對確定破碎圍巖范圍有一定困難。因此，采取水壓致裂法先探后注處治措施，研究隧道或巷道掘進中確定破碎圍巖位置，明確注漿靶點，提高圍巖的彈性模量，加強圍巖強度，節(jié)約注漿量，減小淺部注漿固結(jié)圈荷載，降低隧道或巷道引起的冒頂失穩(wěn)風險，保障地下工程巷道安全施工[5-7]。

1 水力壓裂法的破碎圍巖探注協(xié)同機制及裝置研制

水壓致裂法是主要應(yīng)用測地應(yīng)力的一種有效方法，研制了基于水壓致裂法探查圍巖破碎異常區(qū)裝置，該裝置主要由智能加壓自動系統(tǒng)、封隔致裂室系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動采集分析系統(tǒng)組成：①智能加壓自動系統(tǒng) 設(shè)定額定壓力自動泄壓自動回流，壓力值不再升高；②封隔致裂室系統(tǒng) 采用耐高壓膠囊材料在致裂室兩端起到密封作用；③數(shù)據(jù)自動采集分析系統(tǒng) 即在致裂室布置傳感器，水壓值直接傳到壓力表。通過對比所測巖層抗拉強度大小來判斷巖石完整或破碎情況，從而確定破碎異常區(qū)范圍，如圖1所示。針對異常區(qū)采用淺孔和深孔注漿時，先施工長注漿孔，長孔封堵影響區(qū)域封堵前方裂隙，起到帷幕屏障約束注漿區(qū)域作用，再施工短注漿孔，在有限空間充填裂隙加固煤巖體。每個循環(huán)采用長、短注漿孔配合方法，長孔前方封堵有限空間，短孔在有限空間加固煤巖體。通過采用破碎圍巖探測裝置、淺深孔配合注漿方法和注漿孔優(yōu)化布置三位一體的水力壓裂法的破碎圍巖探注協(xié)同機制技術(shù)，節(jié)約注漿量，消除注漿空白帶，減小淺部注漿固結(jié)圈荷載，并使淺部注漿固結(jié)圈與充填離層后的穩(wěn)定頂板共同承載，有利于控制圍巖變形，提高了斷層破碎帶地段圍巖的穩(wěn)定性,保障正常安全施工。

圖1 水壓致裂法探查圍巖破碎異常區(qū)結(jié)構(gòu)

首先在破碎圍巖疑似處打鉆孔，將裝置伸入鉆孔底部，再加壓封隔器供水管，使兩端膨脹器緊貼鉆孔壁，形成定點定位封隔致裂室密閉空間，然后加壓致裂室供水管，壓力表值會繼續(xù)上升，導(dǎo)致鉆孔孔壁破裂，當液壓壓力表顯示突然下降到一定值時，再迅速關(guān)閉壓力泵。根據(jù)采集到的時間和壓力數(shù)據(jù)，繪制出壓力曲線(見圖2)，并根據(jù)曲線圖求解所需參數(shù)。從鉆孔底部處依次按照上述步驟測巖層抗拉強度T,由于斷層破碎帶巖層抗拉強度較低，所測值較小便是需加強區(qū)域，通過此種方法確定注漿范圍[8-10]。

圖2 水壓致裂法所測壓力-時間過程曲線

2 相似模擬試驗

2.1 相似模擬試驗裝置設(shè)計

根據(jù)水壓致裂法原理和相似模擬試驗原理研發(fā)的裝置，由兩端的氣囊和中間部分相當于實際巖石中的裂縫鉆孔部分，連接壓力表、工程管路和高壓泵，兩端利用氣囊封堵形成中間的致裂室進行相似模擬試驗，采用水、砂、石膏、石灰等材料，按不同配合比模擬現(xiàn)場巖石的不同特性，根據(jù)巖石自身強度特性，先測得其破裂壓力，在利用高壓泵加壓后，進行一次降壓操作，再經(jīng)過測得其重張壓力，破裂壓力減去重張壓力即為巖石本身的抗拉強度。在地下工程中需測定破裂巖石的抗拉強度和正常巖石的抗拉強度做對比，以判讀巖石的破碎范圍和破碎區(qū)域，便于地下工程中為注漿提供一個可靠的參考指標，能更好地控制注漿量，達到降低成本、利于施工的目的。該裝置主要由智能加壓自動系統(tǒng)、封隔致裂室系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動采集分析系統(tǒng)組成，整個試驗裝置由模擬鉆孔、封堵氣囊、注水管、注水孔、致裂室、壓力表、壓力泵和壓力泵共同組成(見圖3)。各部分作用主要如下。

圖3 水壓致裂法相似模擬地下工程破碎圍巖異常區(qū)試驗裝置

1)模擬鉆孔 采用硬塑PVC管材，直徑為160mm，長1m，最大承受壓力5MPa，承載氣囊、裝載試驗拌合物，通過氣囊的加壓封堵，形成一個密閉的加壓空間，提供了試驗環(huán)境。

2)封堵氣囊 材質(zhì)為橡膠，外徑160mm，厚2mm，經(jīng)充氣后能完全貼合模擬鉆孔，形成密封空間，起到封堵作用。

3)注水管 材質(zhì)為橡膠軟管，直徑10mm，厚1mm，最大承受壓力5MPa，用于連接致裂室、壓力表和壓力泵，通過壓力泵注水，向致裂室內(nèi)充水加壓，為致裂室內(nèi)巖土拌合物提供注水壓力。

4)注水孔 位于模擬鉆孔上，直徑10mm，連接注水管，內(nèi)外由橡膠墊密封，是注水管和致裂室的連通處。

5)致裂室 位于模擬鉆孔內(nèi)部，是由兩端氣囊封堵形成的內(nèi)部空腔，用于裝載試驗用巖土拌合物，使拌合物在水的壓力下在致裂室內(nèi)部開裂，達到試驗?zāi)康摹?/p>

6)壓力表 量程0～1MPa，壓力表下接頭三通閥門，可隨時控制致裂室內(nèi)的壓力開關(guān)，使致裂室內(nèi)壓力暫時穩(wěn)定并記錄數(shù)據(jù)。

7)壓力泵 氣壓型注水壓力泵，最大水壓力5MPa，連接壓力管，可向致裂室內(nèi)注入穩(wěn)定的水壓力，帶有泄壓閥，可緩慢泄壓。

2.2 相似試驗制作過程

1)材料制作 選用砂、石灰、石膏、水4種材料按配合比制作泥巖和砂質(zhì)泥巖(見表1)。

表1 模型鋪設(shè)分層材料用量

2)材料稱量 在實驗室拌制巖體試件時,其材料用量應(yīng)以質(zhì)量計,先后稱量標準砂、石膏、石灰、水試驗材料。泥巖的配合比按實際使用所需稱量砂5kg、石灰0.45kg、石膏0.05kg。中質(zhì)砂巖需要砂5kg、石灰1.35kg、石膏0.15kg。按比例進行稱量。

3)材料拌合 試驗所用的器具應(yīng)先用水潤濕。

4)裝材料 按試驗預(yù)定配合比配制巖土拌合物，將拌合物置于致裂室內(nèi)壓實，封閉致裂室。

5)加壓數(shù)據(jù)采集 對泥巖和中質(zhì)砂巖分別進行2次試驗，第1次進行泥巖試驗，首先放置材料進入裝置，并進行密封，利用高壓泵進行第1次加壓測得壓力表一次讀數(shù)，然后進行一次降壓操作獲得第2次讀數(shù)，再次利用高壓泵施加第2次壓力獲得第3次讀數(shù)。

3 試驗過程及分析

對泥巖和中質(zhì)砂巖2種材料壓裂過程進行實時記錄，分析壓力與時間關(guān)系。在加壓過程中采取3次加壓，所測參數(shù)如表2所示，以保證取得可靠的壓裂參數(shù)。

表2 泥巖和中質(zhì)砂巖水壓致裂法所測參數(shù) MPa

由圖4可看出，泥巖壓力隨著時間的增大而增大，在100～200s時泥巖壓力達到最大值，當達到泥巖壓力的峰值時，巖石已破碎，隨著時間的推移，壓力逐漸減小，但在100～200s后，泥巖破碎直到降到最小壓力時巖石不再破碎。中質(zhì)砂巖隨著時間的推移，在100～200s時達到峰值，當壓力達到最大時，巖石逐漸破碎，直到降到最小壓力，巖石不再破碎。可看出最大壓力>0.33MPa時巖石為中質(zhì)砂巖，當最大壓力<0.2MPa時巖石為泥巖，同時可看出泥巖破碎所需的最大壓力大于泥巖，但兩種巖石達到破碎狀態(tài)后壓力開始隨時間的增加而下降，且兩者下降趨勢大致相同。

圖4 水壓致裂應(yīng)力測試泥巖和中質(zhì)砂巖對比壓裂過程曲線

從而判斷泥巖所測抗拉強度(0.07MPa)比中質(zhì)砂巖(0.12MPa)小，認為所在區(qū)域為巖石破碎異常區(qū)，為巖石破碎異常區(qū)劃定針對性注漿區(qū)域，避免注漿量浪費。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

某地下工程巷道圍巖存在部分砂泥巖和粉砂巖力學(xué)強度低、易受水軟化膨脹，破壞了巖石的原生結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖石本身強度降低，因?qū)娱g滑動夾在層間的薄層泥巖被揉成泥，失去原有結(jié)構(gòu)，造成層與層之間呈離層狀態(tài)，易造成巷道下沉變形冒頂，影響安全生產(chǎn)。基于水壓致裂法探查圍巖破碎異常區(qū)范圍，根據(jù)巷道現(xiàn)場破壞范圍長約30m，間隔10m布置4個探測孔，鉆孔深20m,將探測裝置放入鉆孔底部，間隔5m布置4個測點，繪制圍巖探測鉆孔深度與水力壓裂關(guān)系曲線，如圖5所示，由于水力壓力保持在0.5MPa以下區(qū)域，確定巷道松動圈在巷道內(nèi)5m范圍。在水力壓力為0.3～0.5MPa時所在區(qū)域為巷道向外5～15m范圍，說明圍巖破碎異常區(qū)為巷道以外5～15m區(qū)間，該區(qū)域為重點關(guān)注注漿區(qū)域。巷道向外15m范圍水力壓裂值有所升高，壓力在0.5～1.5MPa,說明該區(qū)域比巷道向外5～15m范圍需巖性強度相對高，圍巖較完整。

圖5 圍巖探測鉆孔深度與水力壓裂關(guān)系曲線

5 結(jié)語

1)通過實驗室對泥巖和中質(zhì)砂巖2種巖性進行模擬試驗，直觀展現(xiàn)破碎斷層隧道演化動態(tài)全過程，并可獲取隧道變形災(zāi)變演化的多元化信息。

2)自主研制了基于水壓致裂法探查地下工程破碎圍巖異常區(qū)裝置，直觀地測出地下工程不同圍巖相對強度，根據(jù)所測相對圍巖強度大小判斷出破碎圍巖異常區(qū)，確定注漿靶點，為采用加固注漿方式提供有效依據(jù)。

3)針對確定破碎圍巖異常區(qū)位置，采取科學(xué)有效注漿措施，節(jié)約注漿量，消除注漿空白帶，提高了斷層破碎帶地段圍巖的穩(wěn)定性，保證施工進行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性和持續(xù)性。