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

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,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 and 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-ingtheinfluenceofrockstrengthonthecouplingeffectofself-stressslurryandrockmass,thepaperselectedunder-groundsandstone,carbonaceousmudstone,sandymudstone,andcoalastheresearchobjects.Then,thecomparativetestsofreinforcingfracturedrockmasswithdifferentstrengthbyordinaryslurryandself-stressslurrywerecarriedouttofur-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-stressslurryreinforcementforfrac-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-stressslurryontherockmassfractureinterfacewasinvestigatedfrommultipleanglestorevealthereinforce-mentmechanismofslurryself-stress.Throughseveralengineeringcasesofdifferentrockstrength,themacroscopicrein-forcementeffectoftheself-stressslurrysystemontheengineeringsurroundingrockwithdifferentrockstrengthwasana-lyzed.Theresultsshowedthatthereinforcementeffectofself-stressslurryonthefracturedrockmasseswithdifferentstrength,suchassoftandhardrock,wasgreaterthanthatofordinaryslurry.Asthestrengthoftherockmassbecameweaker,therepairdegreeofslurrytothefracturedrockmasswasgraduallyreduced,andthegroutingreinforcedrockmassspecimensgraduallytransitedfromshearfailurealongthediagonaldirectiontosplittingcollapsefailure.Theself-stressoftheslurryimprovedtherestrainedstateoftheslurry-rockinterface,andthenincreasedtheshearstrengthoftheinterfacebyincreasingthefrictionforce.Thecontactconnectioneffectofthetwomediumsofslurryandrockhadbeenimproved.Thecementationdensityofself-stressslurry-rockinterfacewassignificantlyhigherthanthatofordinaryslurry-rockinterface.Thecrystalparticledistribution,compactnessandmechanicalpropertiesofself-stressslurrystonewereob-viouslybetterthanthoseofordinaryslurry.Theultra-finesiliceousself-stressslurrysystemhadachievedgoodresultsinthereinforcementofbrokensoftrockroadways,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，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。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 2.09、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显的弱面，当其弹性变形达到峰值之后即裂纹沿着预制裂隙尖端发展至破坏，岩体自身基本未发生塑性变形。注浆加固后弱面被强化，变形整体性得到提高，所以峰值应变一般呈增大状态，而砂岩和煤未表现出此现象。对于砂岩而言，由于注浆加固砂岩裂隙后其强度也远未达到完整试样，但是注浆岩样的弹性模量与完整试样较为接近，所以注浆加固后岩样的峰值应变并未表现出增加；对于煤而言，由于煤自身较软，原生裂隙发育，水刀加工过程的动力扰动影响明显，裂隙试样弹性变形过程不明显，在受压过程中很多微观空隙及裂隙闭合后仍能继续承载，所以其峰值应变较大。另外，与普通注浆材料相比，自应力注浆材料强度提高，脆性增强23，变形能力减弱，所以理论上自注试样峰值应变应小于普注试样。0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.01602040608010096.9030.2327.1512.990.014 247.7927.7524.2912.950.00620.42026.70023.56018.3905.5840.0070.009 170.009 60.011 116.96016.2099.3150.009 80.010 30.0130.006 140.007 050.013 20.006 460.006 960.007 13应力/MPa应变完整裂隙未注普通注浆自应力注浆完整裂隙未注普通注浆自应力注浆完整裂隙未注普通注浆自应力注浆完整裂隙未注普通注浆自应力注浆0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.01401020304050应力/MPa应变0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016应变036912151821应力/MPa(a)砂岩(b)炭质泥岩(c)砂质泥岩(d)煤体00.0020.0040.0060.0080.0100.012051015202530应力/MPa应变图3岩体试样单轴压缩应力应变曲线Fig.3Uniaxialcompressionstress-straincurvesofrocksamples3350煤炭学报2023年第48卷1.4.2不同岩石强度裂隙岩体浆液加固效果分析注浆是对岩体弱面的修补和加固，难以使岩体弱面强度增加到超过岩体自身强度，因为最终岩体破坏形态仍为沿裂隙面的滑移破坏。为对比分析 4 种岩石强度注浆加固岩体的强度恢复效果，定义岩石的强度剩余系数 为裂隙岩体强度或注浆加固岩体强度与完整岩石强度的比值，即=P1P0(1)P1P0式中，为裂隙岩体强度或注浆加固岩体强度；为完整岩石试样的强度。表 1 为不同岩石强度的岩体强度剩余系数。由表 1 可知，裂隙砂岩及注浆加固试样峰值强度的剩余系数低于煤样、砂质泥岩、炭质泥岩。由砂岩到煤，随着岩体强度的降低，注浆加固试样的强度剩余系数呈增大的趋势，虽然自应力浆液加固煤体的强度剩余系数小于砂质泥岩，但整体趋势依然明显。注浆加固对裂隙岩体强度的恢复程度排序为砂岩炭质泥岩砂质泥岩煤，即岩体自身强度越高，注浆加固对裂隙岩体的修复程度越低。这是由于一般预制裂隙岩体试样的弱面始终为浆岩交界面，注浆加固仅为对岩体弱面的修补和加固，难以使弱面增强超过岩体自身强度，岩体最终破坏形态为沿裂隙面的滑移破坏。表 1 不同岩石强度的岩体强度剩余系数Table 1 Strength residual coefficients of rock masses withdifferent strength岩石强度代表强度剩余系数/%完整岩石裂隙岩体普注加固岩体自注加固岩体砂岩10013.4128.0231.20炭质泥岩10027.1050.8358.07砂质泥岩10020.9168.8888.24煤体10045.6279.3883.06图 4 为典型泰山石母岩与浆脉。其中，浆脉为母岩形成后在地质运动作用下的岩浆岩侵入，这与岩体裂隙注浆过程非常相似26-27。而泰山石浆脉强度一般不低于母岩强度，因为压缩试验过程中岩样并未沿着浆脉破坏。所以，注浆浆液在特殊条件下经过长时间的地质作用有可能超过原岩强度。但是目前工程裂隙岩体的注浆环境与岩浆岩高温、高压环境下侵入存在明显的差别，所以，目前岩体注浆加固后(特别是硬岩)，裂隙位置的力学性能难以达到原岩强度。浆岩界面强度除与岩体自身强度有关外，主要还与结石体强度、浆岩界面的黏聚力、浆岩界面的摩擦因数、浆岩界面的压力等有关。岩体自身强度越大，注浆加固后岩体的强度越大，但其增大幅度远低于岩体自身强度的增大幅度，所以，注浆加固对裂隙岩体的加固修复程度随岩体自身强度增大而降低。而 2 种浆液对比而言，自注岩体试样的强度剩余系数均大于普注岩体试样，说明自应力浆液对岩体裂隙的修复程度高于普通浆液。1.4.3裂隙岩体单轴压缩破坏特征分析图 58 分别为各砂岩、各炭质泥岩、各砂质泥岩、各煤试样单轴压缩破坏过程中应力、能量随加载时间变化规律以及宏观裂纹扩展示意。45+/2上述各岩石强度岩体在单轴压缩破坏过程中的初始压密阶段，试样与压力机的交界面被压密，对应声发射较弱，波动较小。线弹性变形阶段主要为试样弹性能储存阶段，能量波动也普遍较小。各组试样宏观破坏阶段存在一定差异，完整试样在单轴压缩过程中，裂纹在原生裂纹和次生裂纹的基础上沿着最大主应力的方向扩展，随着压力逐渐增大，出现一条明显近乎贯通沿()方向的裂隙，砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩表现为整体剪切破坏，煤样表现为局部劈裂弹射破坏。裂隙试样在单轴压缩过程中弹性能逐渐积聚，预制裂隙成为了结构弱面的基础，裂隙试样最终形态为沿着预制裂隙的整体剪切破坏；注浆加固岩体在压缩过程中初始裂纹首先位于浆液结石与岩体的交界处，在浆岩界面裂纹的基础上向试样两端扩展至贯通裂隙，最终也表现为沿着预制裂隙的整体剪切破坏。其中，注浆加固砂岩试样沿着预制裂隙方向剪切破坏的形态最规整，基本不存在其他方向的裂纹扩展；注浆加固炭质泥岩试样在沿着预制裂隙方向剪切破坏的同时，伴随着少量水平裂纹或局部破碎；注浆加固砂质泥岩试样的破坏形态为沿浆岩界面的剪切破坏并伴随其他劈裂破坏。因此，随着岩石强度逐渐变弱，注浆加固岩体逐渐由沿着对角线方向剪切破坏向劈裂崩解破坏过渡，即岩石强度越弱，岩体和注浆加图4泰山石母岩与浆脉Fig.4ParentrockandmagmaveinofTaishanite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33510200400600800 1 000 1 200 1 400 1 600020406080100轴向应力能量轴向应力能量轴向应力能量轴向应力能量时间/s轴向应力/MPa20246810121416 能量/(MVs)1000100 200 300 400 500 600 700 800202468101214时间/s轴向应力/MPa0.500.51.01.52.02.53.03.54.0 能量/(MVs)0100200300400500600700800051015202530时间/s轴向应力/MPa02468 能量/(MVs)10020030040050060070005101520253035时间/s轴向应力/MPa1012345678 能量/(MVs)(a)完整试样(b)裂隙试样(c)普注试样(d)自注试样图5砂岩试样单轴压缩破坏过程Fig.5Failureprocessofsandstonespecimensunderuniaxialcompression02004006008001 000 1 200 1 40001020304050时间/s轴向应力/MPa012 能量/(MVs)2505007501 00002468101214时间/s轴向应力/MPa012345能量/(MVs)1002003004005006007000510152025时间/s轴向应力/MPa0246810能量/(MVs)0100200300400500600700800051015202530时间/s轴向应力/MPa024681012 能量/(MVs)轴向应力能量轴向应力能量轴向应力能量轴向应力能量(a)完整试样(b)裂隙试样(c)普注试样(d)自注试样图6炭质泥岩试样单轴压缩破坏过程Fig.6Failureprocessofcarbonaceousmudstonespecimensunderuniaxialcompression3352煤炭学报2023年第48卷02004006008001 0001 20001020时间/s轴向应力/MPa1012345678能量/(MVs)02004006008001 0000510152025时间/s轴向应力/MPa0123456能量/(MVs)(c)普注试样(d)自注试样轴向应力能量轴向应力能量02004006008001 0001 200051015202530时间/s轴向应力/MPa0123456能量/(MVs)1000100 200 300 400 500 600 700 8000123456时间/s轴向应力/MPa024能量/(MVs)(a)完整试样(b)裂隙试样轴向应力能量轴向应力能量图7砂质泥岩试样单轴压缩破坏过程Fig.7Failureprocessofsandymudstonespecimenunderuniaxialcompression02004006008001 0002024681012141618时间/s轴向应力/MPa0102030405060能量/(MVs)2004006008001 0001 2001 400024681012141618时间/s轴向应力/MPa024681012能量/(Mws)(c)普注试样(d)自注试样轴向应力能量轴向应力能量2004006008001 0001 200036912151821时间/s轴向应力/MPa0102030405060能量/(MVs)200400600800 1 000 1 200 1 400 1 60001234567891011时间/s轴向应力/MPa012345能量/(MVs)(a)完整试样(b)裂隙试样轴向应力能量轴向应力能量图8煤试样单轴压缩破坏过程Fig.8Failureprocessofcoalsamplesunderuniaxialcompression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3353固岩体的剪切滑移破坏形态越弱。2自应力浆液岩体界面加固机理2.1自应力浆液加固岩体优势分析自应力浆液加固岩体具有 3 方面的优势：浆液结石体岩体界面的受力状态得到改善：在裂隙约束空间内注浆浆液结石体积膨胀补偿自收缩之后对岩体产生膨胀挤压作用，而裂隙壁通过限制注浆结石体体积膨胀而对其施加约束应力，所以浆液结石与岩体之间的接触挤压应力必然被提高，整体约束受力状态得到改善。在 2.2 节通过建立力学模型进行了推导与分析。浆岩 2 种介质的接触连接效果得到提升：在膨胀挤压应力的驱动作用下，浆液结石与岩体之间的接触渗透作用增强，部分注浆材料晶体能够深入岩体裂隙壁，2 种介质的接触效果被提高，在 2.3 节通过SEM 微观结构分析能够明显看出。约束条件下注浆材料自身结构与性能被提高：在注浆材料体积膨胀过程中受到裂隙岩体的约束作用，浆液结石体晶体结构将会发生改变，水泥结石中空隙被挤压充填，进而导致结构密实性增强，力学性能也被显著提升，在 2.4节通过 SEM 电镜扫描能够清晰其密实性。2.2裂隙岩体自应力浆液加固力学模型p12以一规则单裂隙岩体为例，推导约束膨胀应力作用下浆岩界面受力特征的变化，以及试样抗剪强度的提高。假设裂隙倾斜角度为，浆岩界面处的膨胀挤压应力为(膨胀应力仅能够改善界面处的接触应力，不至于对试样的外部受力状态造成影响)，试样竖直应力为，水平应力为，如图 9 所示24。2p121图9单裂隙岩体自应力浆液加固力学模型Fig.9Mechanicalmodelofself-stressgroutingreinforcementforsinglefracturedrockmass采用传统滑动模型对其进行受力分析，当裂隙面的有效剪应力大于其抗剪强度时将发生滑动破坏。根据摩尔库伦理论，裂隙面处有效剪应力为eff=xy f(2)f=n(3)effxyfn式中，为有效剪应力；为裂隙面处剪应力；为浆岩界面摩擦力；为浆岩界面处正应力；为浆岩界面的摩擦因数。普通注浆加固后浆岩界面处的正应力为n=12(1+2)+(12)cos2(4)xy=12(12)sin2(5)n+pf1自应力浆液加固后，在膨胀应力的作用下浆岩界面处的正应力为()，所以摩擦力 变为f1=(n+p)(6)eff1自应力浆液加固后界面的有效剪应力为eff1=xy f1=xy(n+p)(7)1自应力浆液后裂隙面处的有效剪应力的降低值为1=eff1eff=p(8)所以膨胀应力导致浆岩界面的摩擦力增大，进而有效剪应力减小，与裂隙面的抗剪强度差值加大，更远离了破坏临界点，所以若使界面处有效剪应力达到其抗剪强度需要外部施加更大的作用力。因此，在约束膨胀应力作用下浆岩界面的约束受力状态得到改善，加固结构能够承受外界更大的载荷。2.3浆液结石岩体界面微观结构分析通过上述力学分析可以看出，约束状态下浆液结石体膨胀应力能够提高浆岩界面之间的约束，进而促使浆液与岩体之间实现更好的耦合。为实现 2 种浆液加固岩体界面结构的可视化，从微观角度对比分析 2 种浆岩界面的耦合差异，采用 FEINovanano450 场发射扫描电子显微镜(图 10)对 2 种浆煤界面图10FEINovanano450 场发射扫描电子显微镜Fig.10FEINovananofieldemissionscanningelectronmicroscope3354煤炭学报2023年第48卷进行扫描分析。试样均从力学试验后获得，扫描试样尺寸为 10mm10mm2mm。图 11 为普通浆液与煤体界面的电镜图像，图 12 为自应力浆液与煤体界面的电镜图像。由图 11 可知，当普通浆液加固煤体时，岩浆界面氢氧化钙和钙矾石含量较少，界面矿物结构较为松散，矿物多以点状分布，相对杂乱，界面胶结密度较低，孔隙较多且分布不均匀，孔隙连接性较差，没有形成明显的网状结构，所以普通浆液加固煤体的强度较低，说明浆液结石体未能与煤体表面完全接触，造成其强度不能完全发挥。由图 12 可知，自应力浆液加固煤体时，浆岩界面的微观结构与普通浆液加固明显不同，能够清晰的看到针状钙矾石和六方体形状的氢氧化钙晶体，岩浆界面矿物排列有序，且颗粒大小均匀，界面胶结密度较高，虽然存在孔隙，但孔隙率和孔隙大小均小于普通浆液加固煤体，所以自应力浆液约束空间内产生的自应力能使浆液有效充填煤体间的空隙，使煤体整(a)第1组(b)第2组50 m10 m50 m10 m图11普通浆液与煤体界面的电镜图像Fig.11Electronmicroscopeimagesoftheinterfacebetweenordinaryslurrystonebodyandcoal(a)第1组(b)第2组50 m10 m50 m10 m图12自应力浆液与煤体界面的电镜图像Fig.12Electronmicroscopeimageoftheinterfacebetweenself-stressslurrystonebodyandcoal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3355体性得到提高，加固体的强度也随之提高。这从微观角度诠释了自应力浆液岩体界面的力学性能优于普通浆液岩体界面。2.4浆液结石体结构与力学性能分析为分析约束状态下膨胀作用对浆液结石体自身结构和力学性能的影响，进行了普通浆液和自应力浆液结石的 SEM 扫描试验和抗压强度试验。其中，微观结构试验采用电子显微镜对约束状态下膨胀剂掺量 0、10%水泥浆液结石体进行扫描。对2 种浆液结石体均进行成像，选取 10m 为例进行分析23。2 种浆液结石体扫描图像如图 13 所示。通过图 13 可以看出，与普通浆液结石相比，自应力浆液结石的微观结构更密实。普通浆液结石颗粒分布不均，空隙较多；自应力浆液结石颗粒分布较均匀，颗粒结构之间连接更紧密，有利于强度的发挥。虽然自应力浆液结石晶体之间也存在部分空隙，但明显少于普通浆液结石。所以，约束作用下浆液体积膨胀有利于自身密实性的提高。(a)普通浆液结石10 m10 m(b)自应力浆液结石图132 种浆液结石体电镜扫描图像Fig.13Scanningimageoftwoslurrystonebody另外，笔者课题组已经进行了自应力浆液结石体强度与普通浆液结石体强度试验23，试验结果见表 2。由表 2 可以看出，自应力浆液结石的峰值强度比普通浆液结石体提高 50.37%，自应力浆液结石的峰值应变比普通浆液结石体降低 23.18%，自应力浆液结石体的弹性模量比普通浆液结石体提高 7.8%。在自应力作用下，结石体密实性得到改善，结石体刚度增大，强度和弹性模量均得到提高。表 2 普通浆液结石和自应力浆液结石的力学参数Table 2 Mechanical parameters of ordinary slurry stonesand self-stress slurry stones浆液类型峰值强度/MPa峰值应变弹性模量/MPa普通浆液17.390.02201807.2自应力浆液26.150.01691948.33工程案例与分析根据上述研究，对超细硅质自应力浆液加固不同岩石强度围岩的工程应用效果进行分析。贵州老洼地煤矿 1750 轨道石门代表以泥岩、泥质粉砂岩为主的软岩巷道，贵州昌兴煤矿+1460m 运输石门代表以砂岩和砂质泥岩为主的相对硬岩巷道，桑树坪 2 号井3303 巷道煤帮代表松软煤体，分别通过超细硅质自应力浆液对其进行加固。3.1破碎软岩巷道加固应用老洼地煤矿 1750 轨道石门顶底板主要以泥岩和泥质粉砂岩为主，由于受到多次采动影响，巷道顶板和帮部