不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用.pdf
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1、不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用张进鹏1,3,李扬2,赵炜4,白云5,韩刚5,许峻豪1,贺敬平1,刘立民3,任喆1(1.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018;2.泰山科技学院通信工程学院,山东泰安271038;3.山东科技大学资源学院,山东泰安271001;4.陕西彬长矿业集团文家坡煤矿,陕西咸阳713599;5.山东正元冶达环境科技有限公司,山东济南250013)摘要:基于课题组提出的裂隙岩体自应力浆液加固方法,考虑岩石强度对自应力浆液岩体耦合效果的影响,选取井下砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤为研究对象,进行不同岩石强度预制裂隙岩体的普通浆液和自应力浆液加固对
2、比试验,分析岩石强度对注浆加固效果的影响;多角度探索约束自应力浆液对岩体裂隙界面的复合加固作用,揭示浆液自应力的加固机理;通过多个不同岩石强度的工程围岩案例,分析自应力浆液体系对不同岩石强度工程围岩的宏观加固效果。结果表明:自应力浆液对软硬岩等不同岩石强度裂隙岩体的加固效果均大于普通浆液,随着岩石强度变弱,注浆对裂隙岩体的加固修复程度逐渐降低,注浆加固岩体试样逐渐由沿着对角线方向的剪切破坏向劈裂崩解破坏过渡;浆液自应力改善了浆岩界面的约束受力状态,通过增大摩擦力提高了界面的抗剪强度;浆岩 2 种介质的接触连接效果被提升,自应力浆岩界面的胶结密度明显大于普通浆岩界面;自应力浆液结石晶体颗粒分布更
3、均匀,密实性及力学性能均明显优于普通浆液。超细硅质自应力浆液体系在破碎软岩巷道、相对硬岩巷道、松软煤帮等工程加固中均取得了良好的效果。关键词:裂隙岩体;岩石强度;自应力浆液;浆岩界面;注浆加固中图分类号:TD353;TU45文献标志码:A文章编号:02539993(2023)09334713Test and application of self-stress slurry reinforcement for fractured rockmasses with different strengthZHANGJinpeng1,3,LIYang2,ZHAOWei4,BAIYun5,HANGang5
4、,XUJunhao1,HEJingping1,LIULimin3,RENZhe1(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Taian271018,China;2.College of Communication Engineer-ing,Taishan College of Science and Technology,Taian271038,China;3.College of Resources,Shandong University of Science a
5、nd Technology,Taian271001,China;4.Wenjiapo Coal Mine of Shanxi Binchang Mining Group,Xianyang713599,China;5.Shandong Zhengyuan Geological Resources Explor-ation Co.,Ltd.,Jinan250013,China)Abstract:Basedontheself-stressslurryreinforcementmethodforfracturedrockmassproposedbytheauthors,consider-ingthei
6、nfluenceofrockstrengthonthecouplingeffectofself-stressslurryandrockmass,thepaperselectedunder-groundsandstone,carbonaceousmudstone,sandymudstone,andcoalastheresearchobjects.Then,thecomparativetestsofreinforcingfracturedrockmasswithdifferentstrengthbyordinaryslurryandself-stressslurrywerecarriedoutto
7、fur-收稿日期:20221018修回日期:20221231责任编辑:王凡DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1587基金项目:国家自然科学基金资助项目(52304145,42107191);山东省自然科学基金资助项目(ZR2021QE233)作者简介:张进鹏(1992),男,山东嘉祥人,副教授,博士。E-mail:引用格式:张进鹏,李扬,赵炜,等.不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用J.煤炭学报,2023,48(9):33473359.ZHANGJinpeng,LIYang,ZHAOWei,etal.Testandapplicationofself-stres
8、sslurryreinforcementforfrac-turedrockmasseswithdifferentstrengthJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(9):33473359.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023theranalyzetheinfluenceofrockstrengthongroutingreinforcementeffect.Thecompositereinforcementeffectofre-strainedself-stressslurr
9、yontherockmassfractureinterfacewasinvestigatedfrommultipleanglestorevealthereinforce-mentmechanismofslurryself-stress.Throughseveralengineeringcasesofdifferentrockstrength,themacroscopicrein-forcementeffectoftheself-stressslurrysystemontheengineeringsurroundingrockwithdifferentrockstrengthwasana-lyz
10、ed.Theresultsshowedthatthereinforcementeffectofself-stressslurryonthefracturedrockmasseswithdifferentstrength,suchassoftandhardrock,wasgreaterthanthatofordinaryslurry.Asthestrengthoftherockmassbecameweaker,therepairdegreeofslurrytothefracturedrockmasswasgraduallyreduced,andthegroutingreinforcedrockm
11、assspecimensgraduallytransitedfromshearfailurealongthediagonaldirectiontosplittingcollapsefailure.Theself-stressoftheslurryimprovedtherestrainedstateoftheslurry-rockinterface,andthenincreasedtheshearstrengthoftheinterfacebyincreasingthefrictionforce.Thecontactconnectioneffectofthetwomediumsofslurrya
12、ndrockhadbeenimproved.Thecementationdensityofself-stressslurry-rockinterfacewassignificantlyhigherthanthatofordinaryslurry-rockinterface.Thecrystalparticledistribution,compactnessandmechanicalpropertiesofself-stressslurrystonewereob-viouslybetterthanthoseofordinaryslurry.Theultra-finesiliceousself-s
13、tressslurrysystemhadachievedgoodresultsinthereinforcementofbrokensoftrockroadways,relativelyhardrockroadways,andsoftcoalwall.Key words:fracturedrockmass;rockstrength;self-stressslurry;slurry-rockinterface;groutingreinforcement新奥法自提出后在许多国家得到了快速发展和应用,目前已成为地下工程围岩控制的重要方法。注浆加固是新奥法的拓展,在隧道、井巷、边坡等工程领域应用广泛。注
14、浆加固通过修复裂隙可以促使破碎岩体变为形态完整、结构致密的整体结构,其强度、稳定性、抗渗性等均能得到明显提高。注浆对破碎围岩硐室的优势主要体现在裂隙岩体改性和杆件全长锚固,具体表现为:裂隙岩体被浆液充填黏结后,形成类似简单混凝土结构的整体,其中浆液类似胶凝材料,破碎岩体类似骨料,其力学性能必然大大改善1-3;注浆可使锚杆索杆件的锚固方式变为全长锚固,改变了锚杆索与岩体的挟持受力状态,以及与围岩的协同作用4-5;浆液充填围岩裂隙后,锚固加固拱的范围被扩大,多层加固拱之间联系性增强,同时硐室顶板、两帮和底板之间获得联系6-8;浆液封堵岩体裂隙后,隔绝了外界空气和水,阻止了内部围岩的风化和浸泡软化,
15、提高了围岩的长期稳定性。随着注浆技术和注浆设备的逐步完善,注浆材料成为制约岩体注浆加固效果的关键因素9-10。从宏观整体划分,注浆材料主要包括无机材料和有机材料,及部分有机无机混合材料。KYUNGHOP 等11以普通硅酸盐水泥、超细水泥、生物灌浆材料和硅酸钠等为原料,研制出浆液的单轴抗压强度比普通硅酸盐水泥提高了 30%以上。李利平等12-13研制了一种新型高分子注浆材料和一种新型化学堵水材料。王慧涛等14以过火煤矸石、水泥、黏土为原料,研制了一种适于含水层改造的新型无机注浆材料。ZHANGJW 等15通过超细硫铝酸盐熟料、超细硬石膏和超细生石灰研制了一种新型双液灌浆材料。针对岩体微裂隙及特殊
16、地质条件下普通水泥基浆液扩散性较差难以充满裂隙空间的问题,ZHANGJX 等16研发了一种新型水泥基注浆材料-SJP 注浆材料。上述注浆材料主要包括化学材料和水泥基材料。化学注浆材料凝结时间易控、黏结性较好,但耐久性较弱、价格偏高,且部分有毒。水泥材料来源于天然矿物,虽然普通水泥基材料价格低廉,耐久性较好,但结石率低、凝固时间长。然而,通过在水泥基注浆材料中掺入外加剂能够改善其性能特点,比如通过减水剂能够实现低掺水条件下的高流动度,通过速凝剂能够改善水泥基材料凝固时间慢的问题,进而满足了工程要求。因此,水泥基注浆材料在岩体工程领域应用相对较广泛17-19。由材料学领域可知,水泥基材料普遍存在自
17、收缩问题,水泥基浆液硬化后体积变小,这与裂隙空间充填胶结理念相违背。混凝土材料由于骨料可搅拌移动,而岩体裂隙空间位置固定,所以导致浆液结石与岩体之间胶结效果降低。2 种介质的接触连接对结构整体的力学性能起决定性作用,从课题组前期的试验可以发现裂隙岩体注浆加固后仍沿着浆液岩体界面破坏,且通过界面微观扫描看出浆液与岩体之间存在明显的空隙,说明由水泥基浆液自收缩导致的界面胶结不良的问题已成为制约水泥基注浆加固效果的瓶颈。通过水泥基注浆材料改性,以适应其自收缩的性能成为当前研究的主要方向20-22。据此,基于课题组前期提出的“约束空间条件下通过膨胀剂改性水泥基浆液产生自应力”理念23-25,考虑地下工
18、程围岩裂隙空间相对固定,岩体裂隙壁提供固定约束条件,水泥基浆液硬化体积膨胀补偿自收3348煤炭学报2023年第48卷缩后对约束空间产生膨胀应力,进而提高了浆液结石与岩体之间的接触挤压应力。该方法不仅解决了水泥基材料自收缩导致的浆液岩体接触不良及界面应力松弛的问题,而且提高了 2 种介质交界面的挤压应力,改善了其应力环境。该方法目前已经通过初步研究证明了其优势与可行性,但是,研究相对粗犷,未考虑加固裂隙岩体的自身岩石强度。实际上,不同岩石强度岩体裂隙与自应力浆液的耦合必然存在差异,造成不同岩石强度裂隙岩体的自应力浆液加固效果不同。因此,笔者基于前期研究基础,重点考虑岩石自身强度的影响,根据岩石强
19、度特征从高到低,依次选取了井下砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤为研究对象,分别通过自应力浆液和普通超细水泥加固 4 种岩石强度的岩体裂隙;对比研究不同岩石强度裂隙岩体浆液加固的力学性能,多角度探究约束自应力浆液加固岩体裂隙的界面作用机理;通过多个工程实践,探究超细硅质自应力浆液对多种强度工程围岩的加固应用效果。本研究有助于形成不同岩石强度裂隙岩体自应力浆液加固体系,为不同岩石强度的地下工程围岩自应力浆液加固效果预测提供了一定的参考。1不同岩石强度裂隙岩体自应力浆液加固试验基于约束空间条件下通过膨胀剂改性水泥基浆液产生自应力的思路,选取矿井砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤作为 4 种岩石强度的岩体代表。
20、对该 4 种标准岩石试样进行预制裂隙,通过自应力浆液和普通超细水泥浆液分别对其进行加固,对比研究不同岩石强度条件下 2 种浆液对岩体裂隙的加固效果。1.1试件制备从工程现场将岩块运至实验室加工成直径 50mm、高度 100mm 的标准岩样。通过 APW 水刀切割系统加工裂隙,必须保证每类岩石的预制裂隙尺寸完全相同,尽量保证不同强度岩石的预制裂隙尺寸一致。根据常规岩体在单轴压缩状态下多沿着近似对角线破坏,所以经过反复斟酌和考量,设计预制裂隙长度为75mm,倾角为 68,裂缝宽度为 3mm,裂缝均贯通岩体。在加工过程中,砂岩和炭质泥岩成功预制出上述尺寸裂隙,而由于高压水反射流压力仍较大,砂质泥岩和
21、煤体加工时试件破坏。因此,缩短砂质泥岩和煤体试样的预制裂隙长度均为 50mm,砂质泥岩倾角不变,煤体倾角调整为竖直方向,裂隙得到成功制作。1.2试验方案每类岩石试样共分成 4 组,分别为完整试样、裂隙试样、普通注浆试样(下面简称普注)和自应力注浆试样(简称下面自注),如图 1 所示。普注试样采用普通超细硅酸盐水泥浆液,自注试样采用自应力浆液(自应力浆液为 90%普通超细硅酸盐水泥+10%U 型膨胀剂)。浆液水灰比均为 0.45。该自应力浆液配方是根据已完成的不同膨胀剂掺量自应力浆液试验结果而确定的22-23。75753335050686868903(a)砂岩(b)炭质泥岩(c)砂质泥岩(d)煤
22、图1不同强度代表裂隙岩体试样Fig.1Fracturedrockmasssampleswithdifferentstrength注浆方法为:首先将裂隙岩体试样侧躺于自主研发的约束空间标准试模23-24(图 2)中;然后,在侧面通过注射器将浆液灌入裂隙,保证裂隙灌满;最后,将试模封闭,通过适量注水对其进行养护,待 28d 后拆分试模,对试件表面进行适当清理打磨后,进行单轴压缩试验和声发射试验。每组试验均重复进行 3 遍,选取中间组作为最终数据。图2约束空间标准试模Fig.2Constrainedstandardspacetestmould1.3试验设备水刀切割速率根据不同岩石强度进行适当调整。压
23、力试验机为岛津 AG-X250 电子万能试验机,为采用高清摄像机记录岩体破坏的宏观动态过程,加载速率设定为 0.001mm/s。声发射采用 PCI-2 声发射系统,将岩体试样与传感器进行固定,传感器布置于试样中间部位,在传感器与岩体之间涂抹凡士林以耦合,然后进行断铅测试,确保传感器的幅值信号在 90dB 以上。1.4试验结果与分析1.4.1裂隙岩体单轴压缩试验分析选取 4 种强度代表性的岩石作为注浆加固对象,第9期张进鹏等:不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用3349分别为砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤,4 种岩体的完整试样、裂隙试样、普注试样和自注试样在单轴压缩试验条件下的应力
24、应变曲线如图 3 所示。由图 3 可以看出,每一种岩石强度的 4 类岩体在单轴压缩试验中均经历了常规的压密阶段、弹性变形和破坏阶段。除砂质泥岩外,完整试样基本达到弹性变形峰值后瞬间破坏,没有明显的塑性变形;对同一岩石强度而言,裂隙试样和注浆加固试样的塑性变形阶段均比完整岩样更明显,表现出渐进破坏特征,这与宏观裂缝发展规律一致。砂质泥岩的 4 类试样表现出了能量积累后的台阶式释放特征。预制裂隙后岩体的峰值强度大幅度下降,砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤的峰值强度分别为完整试样的 13.41%、27.10%、20.91%、45.62%。普注砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩和煤的峰值强度分别为裂隙试样的 2.0
25、9、1.88、3.29 和 1.74 倍。自注砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩和煤的峰值强度分别为裂隙试样的 2.33、2.14、4.22、1.82 倍。说明所有岩石强度岩体裂隙注浆充填加固后,浆液凝结硬化与岩体成为整体,其强度得到明显提高。通过自注岩体和普注岩体力学性能对比可知,自注砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤的峰值强度分别为对应普注岩体的 1.11、1.14、1.28、1.05 倍,说明自应力浆液加固岩体裂隙效果优于普通浆液,通过裂隙壁约束条件下自应力浆液结石与岩体之间的接触应力环境以及 2 种介质的耦合连接方式获得了改善,表现出了宏观力学性能地提高。裂隙岩体的峰值应变应最小,因为其岩体结构存在明
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