富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究

 采用模拟富水破碎岩体注浆的方法,开展普通硅酸水泥42.5#(PO.42.5)、硫铝酸盐水泥42.5#(SAC.42.5)和自主研发水泥基复合注浆材料(CGM)的注浆加固效果实验。通过对比破碎灰岩和破碎砂岩试样注浆后结石体的单轴压缩实验结果发现,岩体破碎程度越高,注浆后强度改善效果越明显,岩石孔隙率越大,注浆后韧性增强显著。CGM材料对应注浆加固结石体强度显著高于PO和SAC材料,对多孔隙砂岩的刚性改善效果最优,且结石体沿岩–浆界面产生滑移破坏的概率最小,SAC材料次之,PO材料最差。采用扫描电子显微镜测试手段,分析岩–浆界面过渡区域矿物种类及分布形态,揭示了不同水泥类材料注浆效果产生差异的原因,从微观角度确定了岩–浆界面的胶结类型主控因素为岩石的岩性,与水泥材料类型无关。对于致密度高的灰岩类岩石属于Ollivier-Grandet模型,对于多孔隙砂岩类岩石属于Zimbelinan模型。结合对岩–浆界面过渡区域X射线衍射分析和元素扫描分析结果,证明注浆不仅改善岩石的物理力学性能,还会引发岩石组分发生化学变化,在界面区域生成类岩石矿物,可提高岩–浆界面胶结强度。     

破碎岩体注浆加固体强度估计

在注浆压力和时间满足规范要求时,注浆前岩体强度、注浆后加固体强度、浆液结石体强度是影响注浆加固效果的主要因素。在分析了已有纯水泥浆结石体强度试验的基础上,利用非线性拟合分析,提出了P.O. 42.5水泥结石体28 d强度与水灰比之间关系的经验公式。对已有岩体注浆前后强度试验值进行了无量纲分析,建立了量纲为1的参量——强度增长率和原岩体与浆液结石强度比,进而通过非线性拟合分析,提出了破碎岩体注浆加固体强度增长率的经验公式。根据莫尔库仑强度理论,推导出岩体注浆前后剪切强度参数增长率的计算公式。在现场进行了破碎岩体注浆试验,结果表明,强度增长率试验值与经验公式计算值基本吻合,满足岩体工程注浆设计的需要。     

新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料加固砂卵石地层研究

为保证砂卵石地层超浅埋暗挖下穿某城市快速路施工安全，通过试验自主研发改性水泥-水玻璃注浆材料，选择合适的浆液进行预加固，并添加缓凝剂和硫酸铜改善水泥-水玻璃注浆材料的性能。结果表明，缓凝剂的添加使得凝胶时间可控；硫酸铜的添加改善了结石体与混凝土或岩体界面的状况，使得抗压强度显著提高；钢渣微粉的添加提高结石体的致密性，抗渗性能提高。现场施工表明，自主研发的改性水泥-水玻璃注浆材料对砂卵石地层超浅埋暗挖施工效果良好，保证了施工的安全。     

富水砂层高效注浆材料试验与应用研究

以硅酸盐水泥熟料与工业废渣为原材,通过粒径分布优化、活性激发等优化方法,制备新型高效超细水泥基注浆材料(EMCG)。通过室内试验,研究EMCG材料的流动性能、黏度、析水稳定性、初终凝、强度、体积稳定性等主要性能,对比分析普硅42.5水泥(OPC)、超细硅酸盐水泥(MC)、超细硫铝酸盐水泥(MSAC)及EMCG主要性能;基于XRD及SEM矿物测试,分析EMCG水化机制;通过注浆加固模拟试验,研究EMCG对富水砂层的注浆加固性能,对比分析不同注浆材料浆–岩微观加固模式;通过现场试验,研究EMCG对富水砂层封堵加固效果。研究结果表明:水灰比1.5∶1～2∶1、粉煤灰40%～50%、超塑化剂1.5%～2.0%时,浆液扩散性能最优;浆液稳定状态主控因素为材料细度与水灰比;EMCG材料强度及加固效果最优,MSAC,MC次之,OPC最差;EMCG 7 d加固体强度超过28 d强度70%;EMCG具有砂层扩散性好、泵送稳定、凝胶时间可控、体积稳定、水化活性高、高强、矿物合理、结构致密等优点;EMCG有效提高了富水砂层地层整体性与稳定性,具有显著性能优势与较好工程适用性,是一种比较好的用于地下工程富水砂层加固的注浆材料。     

新型煤岩体加固注浆料制备及应用分析

煤层回采过程中受采动影响,巷道煤岩体必然发生破坏,严重威胁工人安全。而注浆加固是解决破碎煤岩体的有效手段,注浆材料用量动辄数万吨。在充分了解破碎煤岩体注浆技术的基础上,研发了一种适用于破碎煤岩注浆加固的新型无机注浆材料,并对该材料进行了性能分析及应用研究。研究结果表明:(1)制备的新型无机注浆材料其力学性能与微观结构良好,组分最优配比为:硫铝酸盐水泥熟料50%,石膏43.75%,生石灰6.25%;(2)强度和凝结时间随水灰比变化空间大,满足对于不同凝结时间需要的工程;(3)试件干缩率和泌水率最高值均小于5%,材料具有很好的稳定性;(4)新型注浆材料注浆后,巷道变形量大幅度降低,不影响巷道的正常使用。     

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。     

深部巷道破碎围岩锚注机制及控制技术研究

深部巷道实际返修率高达90%以上,尤其软弱破碎围岩巷道控制一直是困扰煤矿安全、高效生产的重大难题之一,在诸如构造应力、强采动影响、断层破碎带等因素影响下,巷道围岩破碎程度高,出现大变形、大松动圈,造成支护失效、冒顶、剧烈底鼓、严重片帮等变形破坏现象,增加了巷道的返修强度与次数,费用远超成巷费用。锚注支护可以从原位上提高围岩自承能力,改善支护构件锚固性能,有效控制围岩变形,越来越多的被深部巷道支护所采用。但是目前锚注支护多以工程类比为主,虽然众多学者针对锚注支护开展大量的研究,但是对破碎岩体的锚注机制研究较少。因此,开展破碎岩体锚注试验及控制效果研究,明确破碎岩体锚注支护机制,可为深部巷道破碎围岩锚注支护设计提供指导,对煤矿安全高效运营具有重要意义,同时也可为交通隧道、水利水电等地下工程破碎岩体支护提供借鉴与参考。本文以巨野矿区千米深井—赵楼煤矿为工程背景,针对高应力、软弱岩层等条件下,开挖后岩体破碎,锚注后岩体的参数获取以及承载特性等研究明显欠缺等问题,以室内和现场试验为主,理论与数值分析为辅的手段,研究深部巷道破碎围岩锚注机制以及控制方法,主要研究工作及成果如下:(1)随钻参数与破碎围岩锚注体力学参数关系研究:研发多功能岩体数字钻探测试系统,由钻进系统、加载系统以及监测控制系统等组成,可施加最大扭矩400 N·m,最大转速为400 r/min,最大推进力50 k N。定义岩石单位切削能η_c,基于SVM建立数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和岩石单位切削能η_c等5个物理参量与岩体UCS的定量关系。系统开展不同水灰比、岩体粒径影响下破碎围岩锚注体数字钻探试验,验证了基于SVM的随钻参数与UCS关系模型,结果表明水灰比对破碎岩体锚注后的强度影响较大,水灰比为0.5和0.6的破碎岩体锚注后强度相近;不同粒径对破碎岩体锚注加固后强度影响较小。(2)破碎围岩锚注体承载特性试验研究:针对破碎岩体锚注工况,制作不同岩体粒径、不同水灰比以及不同锚杆数量的锚注体试件,开展锚注体承载特性系列对比试验,定义锚杆承载贡献率指标,对比分析有无锚杆条件下锚注体裂纹发展规律,明确不同因素影响下锚注体承载机制。(3)不同条件下锚注支护构件锚固性能系列对比试验研究:建立基于剪胀效应的软弱破碎围岩锚固体界面力学模型,推导注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析注浆前后围岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角、剪胀角等力学参数变化对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义注浆锚杆有效加固范围,系统开展注浆前后普通锚杆和高强锚索等支护构件锚固性能系列对比试验,验证理论模型的正确性,明确锚注浆液扩散加固机制。浆液在岩体中的扩散效果不是等距均匀的,整体呈现"下方边侧上方"的趋势;浆液扩散效果随着注浆锚杆长度增加存在一个合理长度;高强锚索锚固性能的改善要综合考虑注浆加固以及稳定岩层的贡献大小。适用于赵楼煤矿类似巷道的注浆锚杆长度为2.5 m左右,注浆锚杆间排距为1 200 mm×1 600 mm;高强锚索长度为5～6 m。(4)深部巷道锚注系列对比数值试验研究:考虑支护方案、应力等级、岩体参数等级以及锚注加固强度等因素,设计四大类51种数值对比方案,对比分析围岩位移、塑性区、应力等变化规律,揭示不同因素影响下围岩锚注控制机制。随着注浆加固范围的增加,各部位最大位移量、最大塑性区呈降低趋势,围岩应力峰值呈双线性变化特征;随着注浆加固参数等级的提高,各部位最大位移量、最大塑性区呈近似指数形式降低;围岩应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势,应力峰值整体呈上升趋势。(5)深部巷道破碎围岩锚注控制现场对比试验研究:研发新型高强锚注支护材料,设计锚注联合支护方案,选择典型破碎围岩巷道开展现场对比试验,结果表明煤巷沿空侧试验段平均收敛量比原方案降低了63.2%,实体侧降低了54.9%,岩巷试验段比原方案降低了81%～83%,高应力破碎围岩的变形得到了有效控制。将研究成果向极软弱破碎煤层巷道中进行了推广应用,设计并开展4种锚注支护对比方案,结果表明注浆锚杆+注浆锚索联合支护、注浆锚杆+高强锚索联合支护等锚注方案可以代替传统的U型棚支护。     

不同注浆材料作用下结构面剪切力学特性研究

注浆技术是裂隙岩体常用加固方法,其对岩体的作用主要体现在对结构面力学特性的影响,不同注浆材料加固效果和作用机制不同。以红砂岩为研究对象,通过劈裂法制取结构面,选取水泥、环氧树脂进行结构面注浆,开展不同法向压力下的直剪试验,并与未注浆结构面剪切试验结果进行比较,对其剪切力学特性进行分析。利用三维扫描仪,对剪切前后的结构面进行扫描,以有效剪切倾角、结构表面三维形貌的起伏度坡度均方根Z_2的计算公式为理论基础,利用分析软件对剪切前后的结构面进行粗糙度评价,分析注浆对于结构面三维形貌特征的影响。试验结果表明:注浆可以增大结构面间的黏聚力,同时改变结构面的三维形貌特征,使得抗剪强度增大;不同注浆材料表现的力学特性有所不同,环氧树脂注浆材料对结构面加固效果突出,水泥注浆材料在低法向应力水平下效果较为明显。     

注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的试验研究EI北大核心CSCD

注浆技术对裂隙岩体的加固效果显著,对岩体裂隙面的力学特性产生极大影响。为研究注浆加固对岩体裂隙力学特性的影响规律,创新性地提出一种岩体裂隙试件制作方法,克服了原岩裂隙取样困难的难题。将该方法制取的裂隙试件在自主研发的裂隙岩体注浆系统平台上进行注浆加固试验,并对注浆加固后的岩体裂隙试件开展相关的法向及切向力学加载试验。试验结果表明:人工制取的裂隙试件与原岩裂隙几何相似性良好,符合室内物理试验要求;注浆加固会显著改变岩体裂隙面的法向切向力学特性,注浆加固后岩体裂隙的峰值抗剪强度及残余强度得到极大提高,裂隙面的抗变形能力增强;裂隙面法向加载会影响其切向力学行为,切向抗剪强度随法向应力增加而增加;注浆加固通过提高岩体裂隙面的力学性能来增加岩体的整体强度及稳定性。     

隧道富水破碎围岩水泥-水玻璃注浆参数研究

福建某在建隧道围岩破碎,稳定性较差,部分位置有富水溶洞存在。在前期水泥浆灌注无效的情况下,隧道采用水泥-水玻璃(C-S)注浆技术,对富水破碎围岩进行治理。通过室内试验,对不同的水灰比、水泥浆与水玻璃之比以及水玻璃浓度的条件下对比凝胶时间的变化,得到水泥-水玻璃凝胶时间的影响规律。之后选取W∶C=1.2∶1,C∶S=1∶0.6,水玻璃波美度为28°Be′的浆液配比进行现场注浆试验,结果表明水泥-水玻璃具有良好的封堵效果。     

辉绿岩脉复合灌浆试验加固效果研究

 选择代表性试验区,采用高压水泥–化学复合灌浆技术,对辉绿岩脉的灌浆加固处理开展灌浆工艺、加固效果和机制等试验研究。试验中对微细裂隙发育的辉绿岩脉进行高压水泥灌浆后再进行化学复合灌浆,水泥浆液采用普通硅酸盐水泥,化学浆液采用固结性能良好的CW系环氧树脂。复合灌浆后的辉绿岩脉单孔纵波速度可达5 153 m/s,变形模量为11.4～21.8 GPa,试验区岩体的连续性、整体性及均一性改善显著。复合灌浆达到预期效果,辉绿岩脉力学指标满足建坝要求,灌浆工艺参数合理,可直接指导大岗山水电站基础处理施工。经初步探索,该复合灌浆加固岩体的实质可归纳为：固结灌浆改善了岩体结构面力学特征及其组合关系,使其整体刚度增大;微细裂隙的良好胶结,使其端部应力集中被降低或消除,岩体屈服极限增大,强度提高。     

岩石峰后注浆加固前后力学特性单轴试验研究

在岩石试件单轴压缩破裂的基础上,进一步开展了峰后注浆加固试件的力学特性试验研究.分别采用水泥浆和玛丽散N加固破裂试件,试验发现分别采用玛丽散N、425#水泥进行破裂岩石注浆加固时,岩石强度比其残余强度都有显著提高,加固后岩石的变形趋于协调.同一浆液加固不同的岩石,被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度提高越高;同样的岩石注入不同浆液,浆液的粘结强度越高注浆后的强度就越高.试验结果验证了岩石注浆加固是加固围岩非常有效的方法.     

注浆理论的研究现状及发展方向

详细介绍了注浆技术,特别是裂隙岩体的注浆工艺、注浆理论、试验研究、效果检测等方面的研究现状,针对存在的不足,提出了注浆技术的发展方向。     

防膨胀软岩注浆材料试验及应用研究

 为研制一种防膨胀软岩注浆材料以满足膨胀性软岩巷道注浆加固的需求。通过室内试验,研究注浆材料的密度、析水率、凝结时间、流动度、结石体强度等主要性能参数。通过现场试验,研究注浆材料对膨胀性软岩巷道围岩的注浆加固性能。研究结果表明：当注浆材料的水灰比为0.5∶1,添加剂比率为5‰时,注浆材料的主要性能参数最优;该注浆材料能有效提高破碎膨胀性软岩的强度,改善膨胀性软岩巷道围岩的特性,防止软岩巷道围岩在注浆时发生吸水膨胀变形,是一种较好的防软岩膨胀注浆材料。     

Numerical and experimental analysis of penetration grouting in jointed rock masses

The reinforcement effect of penetration (or permeation) cement grouting injected into jointed rock masses is investigated in this paper. For this, anisotropic material properties of jointed rock masses with and without grouting are derived based on the mechanics of composite material. Derived anisotropic material properties are not only functions of the material properties of the intact rock and grouting, but are also related to the geometric and mechanical properties of rock joints, such as dip angle, spacing and stiffness. Two in situ seismic tests were also performed to obtain information on the ground improvement. Finally, a back analysis methodology is proposed to quantify the reinforcement effect. Here, joint stiffnesses of the rock masses are selected as the dominant parameter to be determined. The so-called back analysis shows that, after grouting, the stiffnesses of the filled joints are increased upto 6 times compared with those of the ungrouted joints.     

软弱破碎岩体中锚杆抗拔受力机理及试验研究

为深入了解锚杆的锚固机理及其在软弱破碎围岩中的加固效果,开展了一系列针对不同材质、不同锚固刻距的锚杆抗拔力试验。通过对试验结果的分析和研究,得出了如下结论:在软弱破碎围岩中,锚杆的失效主要是灌浆体与岩土体之间的剪切破坏所致;当外荷载较小时,锚杆、灌浆体和岩土体协同受力,但当荷载增大到一定程度后,锚固体与岩体之间就会进入剪切屈服状态,并在达到峰值强度后破坏;锚杆体的线性刚度值越大,对应的抗拔力也就越大;在模型试验中,合理选择锚杆的线性刚度和间距对于准确模拟锚杆的锚固效果至关重要。