含不同预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律研究

黄晓昇，张 超，程 成，赵亚婕

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054）

注浆技术在诸如水利、隧道、建筑、煤矿等众多工程领域中有着广泛的应用[1-3]，该技术可将浆液填充进破裂岩体的裂隙中，使裂隙岩体的物理力学性能获得大幅提升[4-6]。欧阳进武[7]对稳压和脉动注浆方式下的浆液扩散机理进行了研究，发现稳压注浆扩散距离更远；宗义江[8]采用承压注浆加固系统对破裂岩样进行注浆加固，并对固结体的力学性质进行了测试研究；侯冰[9]通过真三轴水力压裂试验平台展开压裂试验，发现水平地应力差在一定范围内，水力裂隙容易贯通原始裂隙；范濛[10]通过观察水力压裂过程中压裂液排量、垂向地应力差异系数的变化，发现泵压和声发射波动与水力裂缝发育存在对应关系；钟祖良[11]对浆液在土石试样中的扩散机制及其影响因素进行了研究，发现含石量达到一定程度，浆液扩散方式由劈裂变为渗透；杨圣奇[12]通过单轴压缩对含单个不同孔洞砂岩的裂纹发育规律进行了研究，发现含孔试样强度较低，微震信号集中于孔洞周围；姜婷婷[13]根据水力裂隙的空间分布形态揭示了煤岩储水层水利裂隙的发育规律，即水力裂隙倾向于层理薄弱处扩展；赵扬锋[14]基于微震信号和电荷感应信号变化情况，对含裂隙砂岩破裂前兆规律进行了研究，发现砂岩强度随裂隙倾角减小而降低；于利强[15]设置不同加载速率对含不同角度预制裂隙的岩样进行单轴压缩试验，发现裂隙发育主要受应力变化影响；韩震宇[16]对单轴压缩下含端部裂隙的岩体裂纹扩展规律进行了研究，结果表明起裂裂隙一般为试样破坏的主裂隙。上述研究分析了不同浆液黏度、注浆压力、单变量预制裂隙等对小尺寸试样裂隙发育规律的影响,而针对大尺寸、多变量影响下的裂隙劈裂规律研究较少.为此，制作了含不同预制裂隙的煤岩相似试样，通过自主开发的相似试样注浆物理模拟试验平台对含不同位置、角度和尺寸预制裂隙相似试样的注浆诱发劈裂裂隙扩展规律进行了研究，为煤岩注浆工程的进一步发展和完善提供了参考。

1 含预制裂隙相似试样注浆劈裂试验

1.1 含预制裂隙相似试样的制备

在注浆劈裂试验中，以沙子为骨料，水泥和石膏为胶结剂（沙子∶水泥∶石膏的配比为4∶1∶1），混合质量分数为10%的水制备煤岩相似试样[17-18]。在相似试样制备时，首先将上述原料充分混合，然后加入水。充分搅拌后，将混合物倒入尺寸为300 mm×300 mm×300 mm（长×宽×高）的模具中并压实，制成相似试样。在准备相似试样的过程中，通过将纸板埋在相似试样中指定位置来预制裂缝，预制裂隙参数见表1，各试样制作2 组共18 个，1 组预制裂隙与注浆孔相交，另1 组不相交。此外，还预埋了使用钢管制成的注浆管，该钢管的外径和内径统一，尺寸分别为12 和10 mm。制备完成后，将试样静置1 d，拆开模具，然后在常温下养护28 d。相似试样预制裂隙位置如图1。

表1 预制裂隙参数Table 1 Prefabricated fracture parameters

图1 相似试样预制裂隙位置Fig.1 Similar sample prefabricated crack position

1.2 试验系统

注浆模拟试验平台图如图2，进行相似试样注浆试验的物理模拟试验平台主要包括3 部分，分别为声发射数据采集系统、注浆系统和三维可视化注浆平台。

图2 注浆模拟试验平台Fig.2 Grouting simulation test platform

三维可视化注浆平台，其优势在于平台周围的安全防护装置采用高强度钢化玻璃材质，在确保安全系数的情况下，解决了注浆过程可视效果较差的问题，可在注浆过程中实时监控试样情况。声发射数据采集系统则为PEIC-8 8 通道声发射监测系统，采用16 位A/D 转换技术，除了可直接对声发射特征参数进行实时分析，还可对劈裂裂缝进行精准三维定位[19-21]。前置放大器、传感器、数据采集仪器和主机分析软件为声发射数据采集系统的4 大组成部分。其中前置放大器的增益率设为60 dB，声发射系统的阈值参数设为40 dB，采样率为1 MSPS。注浆系统由控制系统、注浆泵、注浆管、连接件等部分组成，注浆泵可在控制系统的设定下，将水灰比为2∶1的纯水泥浆液，在20 mL/min 的恒定速率下进行注浆。

2 试验结果

2.1 预制裂隙尺寸对注浆裂隙劈裂的影响

PF-50-25 的相似试样注浆断面图如图3，PF-100-25 的相似试样注浆断面图如图4，PF-100-50的相似试样注浆断面图如图5。

图3 PF-50-25 的相似试样注浆断面图Fig.3 Fracture surface of specimen PF-50-25

图4 PF-100-25 的相似试样注浆断面图Fig.4 Fracture surface of specimen PF-100-25

图5 PF-100-50 的相似试样注浆断面图Fig.5 Fracture surface of specimen PF-100-50

分析发现，预制裂隙尺寸对注浆诱发的裂隙劈裂规律有一定的影响：劈裂裂隙发育方向在预制裂隙的作用下发生变化；随着注浆作业的进行，相似试样注浆孔周围压力积聚、裂隙发育，劈裂裂隙扩展到预制裂隙后，浆液填充预制裂隙；随着注浆压力的升高，预制裂隙内部再次发生裂隙劈裂；然后，劈裂裂隙不断延伸，最终破碎试样，形成一个穿透性的破裂面。观察断面，根据染色区域判断浆液的流动、渗透轨迹。基于浆液的流动、渗透轨迹，研究预制裂隙对注浆诱发裂隙劈裂规律的影响。

观察图3 劈裂裂隙和浆液流动轨迹可以发现，当预制裂隙的长度和宽度较小时，注浆引起的裂隙劈裂主要受样品的非均质性影响，并表现出一定的随机性，并且大部分注浆引起的劈裂裂隙未延伸到预制裂隙。50 mm×25 mm（长×宽）的小尺寸预制裂隙对注浆诱发的劈裂裂隙发育造成的影响较小。

观察图4 劈裂裂隙和浆液流动轨迹可以发现，该情况下，部分注浆诱发的劈裂裂隙向预制裂隙方向延伸，延伸到预制裂隙后，出现了不同大小的分支。说明100 mm×25 mm（长×宽）的预制裂隙对注浆诱发的劈裂裂隙产生一定程度上的影响。

观察图5 劈裂裂隙和浆液流动轨迹可以发现，该情况下，注浆诱发的劈裂裂隙不但延伸到了预制裂隙处，而且在浆液填满预制裂隙后产生压力积聚，导致在预制裂隙尖端出现二次劈裂，二次劈裂沿预制裂隙的倾角向外发育。说明100 mm×50 mm（长×宽）预制裂隙的试样，注浆诱发的劈裂裂隙的扩展受到预制裂隙的显著影响。

2.2 预制裂隙角度对注浆裂隙劈裂的影响

在对相似试样进行注浆劈裂试验时，影响劈裂裂隙发育方向的一个主要因素就是预制裂隙的角度。在预制裂隙尺寸较小时，初期劈裂趋势往往与预制裂隙倾角方向保持一致，但劈裂裂隙往往还未完全贯穿试样，就会过早的产生偏移；预制裂隙尺寸较大时，劈裂裂隙往往可以顺着倾角方向发育直至试样失效。预制不同角度裂缝的试样注浆劈裂结果见表2。

当预制裂隙的尺寸足以影响注浆劈裂裂隙扩展时，劈裂裂隙的发育方向会极大的受到预制裂隙角度的影响。这主要是因为：在注浆初期，注浆孔周在注浆压力的作用下，会产生一些注浆裂隙，裂隙的发育方向与试样最小主应力方向一致。随着注浆进行，出现在注浆孔附近的劈裂裂隙快速发育，直至延伸到预制裂隙后，浆液对预制裂隙进行填充。待注浆压力积累到一定程度后，会在预制裂隙的周围产生二次劈裂。预制裂隙的倾角改变了岩石内部最小主应力的方向，使新产生的劈裂裂隙更容易沿预制裂隙的倾角发育。

表2 预制不同角度裂缝的试样注浆劈裂结果Table 2 Results of grouting induced splitting fractures in materials containing prefabricated fractures with different angles

2.3 预制裂隙与注浆管位置对裂隙劈裂的影响

PF60-100-25 试样声发射事件数与泵压曲线对应图如图6。

由注浆孔与预制裂隙不相交试样注浆过程中声发射事件数随泵压变化的结果（图6（a））可知。在注浆压力小于6.5 MPa 时，此时注浆压力达不到相似试样的起裂压力，几乎没有声发射信号产生；当注浆压力持续增大至6.5 MPa 时，泵压上下波动，注浆压力出现反复积聚和释放现象，此时声发射信号迅速增多，注浆孔孔周开始出现劈裂裂隙，裂隙延伸方向为试样最小主应力方向，直至与预制裂隙相贯通；下一阶段为浆液填充阶段，此时几乎不产生新裂隙，因此声发射信号较少；随着浆液填满裂隙，注浆压力进一步增加至7.5 MPa 时，试样内部产生新的劈裂裂隙，注浆压力上下波动，在此阶段出现大量声发射信号；而后浆液进一步填充至新产生的裂隙中，当注浆压力超过6.9 MPa，注浆劈裂达到裂隙扩展阶段，此时新产生的裂隙被浆液填满，裂隙沿着应力集中的方向扩展，声发射信号大量产生，直至裂隙发育、贯穿整个试件，浆液从试件表面流出，裂隙最终形态沿注浆孔轴线方向对称分布。

图6 PF60-100-25 试样声发射事件数与泵压曲线对应图Fig.6 AE event counts and mercury injection curves of PF60-100-25

PF60-100-25 注浆孔与预制裂隙相交试样注浆过程中声发射事件数随泵压变化的结果（图6（b））可知，由于在试样制作过程中便将预制裂隙与注浆孔相交，因此该试样注浆过程中没有劈裂贯通阶段。注浆作业开始后，浆液直接填充预制裂隙；当注浆压力达到7.7 MPa 后，沿预制裂隙倾角方向开始出现裂隙劈裂现象，此时进入裂隙劈裂阶段，注浆压力上下波动，在此阶段出现大量声发射信号；随着注浆过程的进行，再次进入浆液填充阶段，此时由于不产生裂隙，因此声发射信号较少；当注浆压力超过7.4 MPa，注浆劈裂达到裂隙扩展阶段，裂隙沿着应力集中的方向扩展，声发射信号大量产生，直至裂隙发育、贯穿整个试件，浆液从试件表面流出。

由PF60-100-50 2 种试样声发射事件数随泵压变化结果与PF60-100-25 2 种试样相类似。通过上述分析可以得出以下结论：当注浆孔与相似试样预制裂隙不相交时，注浆过程分为4 个阶段，分别为劈裂贯通阶段、浆液填充阶段、裂隙劈裂阶段、劈裂扩展阶段；当注浆孔与相似试样预制裂隙相交时，仅有浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展3 个阶段。

3 结 论

1）预制裂隙的尺寸对注浆裂隙劈裂有一定的影响，当预制裂隙的长、宽尺寸较小时，注浆诱发的裂隙劈裂主要受相似试样不均匀性的影响，并呈现出一定的随机性；随着预制裂隙长、宽尺寸的增大，周边岩体强度变弱，注浆孔周围的裂缝沿最小主应力方向发育，逐渐朝预制裂缝的方向靠近，劈裂裂缝与预制裂缝相贯通后，浆液流入压力积聚，沿着预制裂缝的倾角劈裂裂隙向外发育直至试样破坏。

2）预制裂隙的预制角度，对相似试样内部的最小主应力方向造成了影响。使新发育的劈裂裂隙更倾向沿着预制裂隙的角度向外发育。预制裂隙的角度对注浆裂隙劈裂的方向具有显著影响，不同的预制裂隙角度影响甚至决定着劈裂裂隙的发育方向。

3）通过对相似试样声发射事件数与泵压变化曲线进行分析可以发现，泵压波动与声发射事件积聚相对应，反映了注浆劈裂裂隙的扩展过程。当注浆孔与相似试样预制裂隙不相交时，注浆过程分为4个阶段，分别为劈裂贯通阶段、浆液填充阶段、裂隙劈裂阶段、劈裂扩展阶段；当注浆孔与相似试样预制裂隙相交时，仅有浆液填充、裂隙劈裂、劈裂扩展3个阶段。