注浆理论研究现状及展望

李浩++文杰

摘 要：本文介绍了注浆理论的发展现状，详细介绍了注浆对巷道围岩加固机理的研究，并总结了目前常用的巷道围岩注浆材料，简单介绍了国内外在注浆方面进行的实验研究，针对现有研究提出了理论上的不足之处，并对其发展方向进行了展望。

关键词：注浆理论 裂隙 注浆材料 注浆试验

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0105-02

随着煤矿开采的深度和范围的不断增加，复杂困难巷道越来越多，巷道变形破坏越来越严重。井下巷道注浆加固技术在巷道维修的基础上逐步发展起来，注浆加固技术与巷道支护技术一样成了巷道围岩的控制有效途径。

1 注浆理论发展概况

注浆技术是岩土工程及矿山井巷工程施工中常用的施工方法，主要作用是堵水和加固。1864年英国就已经使用水泥注浆的方式进行井筒的注浆堵水。近几十年来岩土注浆理论发展较快，成果主要集中在岩土介质中浆液流动规律及岩土体的可注性，裂隙充填物对流动和围岩稳定性的影响，平面裂隙接触面积对裂隙渗透性的影响，仿天然岩体的裂隙渗流实验等方面。目前应用较多的仍然以渗透注浆理论和劈裂注浆理论为主[1]。

1.1 渗透注浆理论

渗透注浆是通过注浆泵提供的压力使浆液渗透到岩土体的孔隙或裂隙中，待浆液凝固后起到加固和防渗作用。国内外学者对该理论进行了大量的实验研究，基于渗透理论提出了不同的浆液扩散理论，其中广为接受的有球形扩散理论、柱形扩散渗透理论以及袖套管法理论。

1.2 劈裂注浆理论

劈裂注浆理论认为，高压浆液会在岩土体的孔隙或裂隙中流动并使孔隙或裂隙进一步扩大、延长，产生劈裂面，浆液便沿此劈裂面，浆液固结后形成骨架。

2 注浆加固巷道机理研究现状

国内众多学者通过巷道注浆加固工程实践和实验室的研究，总结出注浆加固巷道围岩的机理有以下内容。

2.1 提高和改善破碎围岩的强度和力学状态

对于松动圈大于1.5 m的巷道，其围岩较为破碎，易产生较大的变形量。这类破碎围岩一般处于残余强度阶段，承载能力较差，注入浆液后形成的固结体具有较大的粘结力，可明显提高碎胀岩体的承载能力和抗变形能力。未注浆前，围岩的强度由不连续面控制，强度和刚度均较低，注浆后围岩的强度一般由岩石控制，强度提高，围岩维护状况得到较大改善。

2.2 充填压密裂隙

高压浆液在渗透进一些岩体裂隙的同时，其高压作用也会对一些未充填裂隙进行挤压，使原有裂隙减小或闭合，提高围岩在受荷载作用时承载力和抗变形能力。根据格里菲斯理论，受荷岩体会在其内部裂隙尖端部位出现明显的应力集中现象，集中应力会使裂隙持续延伸发展，最终导致岩体的破坏，注浆后裂隙会被填充，减小甚至消除裂隙端部的应力集中，转变围岩破坏机制，提高巷道围岩的稳定性[2]。

2.3 注浆封闭作用

根据实验可知，水对围岩强度影响较大，一般情况下含水率越高，围岩强度越低，当岩体含粘土矿物较高时，这种影响愈加明显；对于膨胀性软岩，水的存在直接决定着围岩的强度和变形。对围岩注浆后，地下水的渗流通道被隔绝，可有效减小水对围岩的影响。

2.4 强化组合拱结构的承载能力

注浆层与锚杆索形成的平衡拱可以形成多层组合拱共同作用，并且可以将支护体内锚杆由端锚转变为全长锚固，提高锚杆的锚固力。如图1所示，注浆后喷网层形成一层拱，预应力锚杆形成的压力锥与围岩形成一层拱，最外侧注浆层也形成一层拱，这些拱既能够独自承载围岩变形，又能够共同作用，维护巷道的稳定性[3]。

2.5 限制围岩深部塑性区发展

对于修复巷道，围岩较为破碎，岩体依靠残余强度提供承载力，注浆后破碎围岩形成整体，应力状态转变为弹性状态，提高加固体的承载能力。同时加固后的围岩会对深部围岩形成约束作用，使得深部围岩受力状态为三向应力状态，围岩强度提高，限制围岩塑形区的发展，保证巷道深部围岩有足够的承载力，巷道围岩保持稳定状态[4～6]。

3 注浆材料研究现状

目前，专门针对巷道围岩研发的注浆材料不多，同时巷道的服务年限较为有限，大量使用高性能的注浆材料不够经济，因此目前巷道注浆加固材料一般采用价格较为低廉的水泥类材料，而其性能则通过添加外加剂的方式进行调节，注浆材料性能主要是其可注性和固化后的强度[7～8]。

目前常用的水泥类注浆材料可分为三类：

（1）普通水泥类注浆材料：这种注浆材料颗粒较大，可注性差，固结时间太长，不能及时限制围岩的变形，在长距离管道运输或固结过程中会出现离析现象，无法达到预期强度。但是这种注浆材料来源广泛、较为经济，还可以使用外加剂一定程度上提升其性能，故目前被广泛采用。

（2）超细水泥类注浆材料[9]：基于上述普通水泥注浆材料的缺点，特别是针对某些新掘巷道。其围岩裂隙较较小，普通水泥的可注性难以满足其要求，故研究出了超细水泥基注浆材料。超细水泥可注性较好，具有化学浆材的优点的同时且对环境无污染。目前超细水泥的渗透机理仍处于研究阶段，国际上对超细水泥的划分标准尚未统一，各国超细水泥划分标准见表1。

（3）高水速凝材料：高水速凝材料是近年来新出现的一种水泥类注浆材料，凝结速度快，水灰比可调性好，在较高的水灰比条件下也能够固结而不离析，浆液流动性好，可注性好，浆液固结后有较好的塑性，且成本不高，是一种性能较为优良的新型注浆材料。

4 注浆试验研究现状

注浆试验多结合室内模拟试验开展，主要研究注浆参数及其影响因素之间的关系，国内外常用的有平板式、圆管式、槽式模拟实验台，通过调节裂隙张开度、长度、粗糙度等参数研究渗流规律，分析注浆参数等。注浆参数研究对象主要有浆液扩散半径R、注浆压P、注浆量Q和凝结时间T等，影响因素主要有被注岩土的渗透率k、浆液初始粘度μ0、注浆时间t等。国内外较著名的注浆参数模拟试验有：无水多孔介质渗透试验、裂隙岩体的渗透注浆试验、动水条件下堵水试验、饱和多孔介质渗透试验、渗透注浆中的颗粒过滤性试验、多孔介质注浆模拟试验、浆液粘度对压力分布影响的试验、静水条件下的驱水试验、砂卵（砾）石层中注浆模拟试验研究以及注浆渗透性模拟试验等。

5 问题与展望

由于岩土体的复杂性和注浆工程的隐蔽性，注浆理论的研究进行难度极大，目前，注浆的理论研究水平严重滞后于工程实践和注浆材料的发展。现有的关于注浆的学术成果中，局限于介绍施工工艺过程和注浆效果，较少从理论分析的角度进行研究，现有结论也已宏观和感性认识为主，缺乏具体的、定量的测试分析。故未来细观、微观层次上的研究是注浆理论研究的重点。

由于模拟条件与实际地层结构有较大差距，裂隙、空隙状态参数、介质粒度等模拟参数均与实际条件难以吻合，而且常常仅能模拟单一裂隙，因此，模拟出的浆液流动特征及其规律与实际情况相差较大，今后的发展方向是进一步仿真模拟，以缩小这种差距，指导具体的注浆工程实践。

参考文献

[1] 杨米加，陈明雄，贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报，2001，20（6）：839-841.

[2] 昝月稳.国外压密注浆技术的发展[J].地基处理，1997，8（4）：52-56.

[3] 王健.大断面软岩巷道深孔注浆和注浆锚杆联合支护[J].煤矿开采，2008（6）：18.

[4] 金平乐.注浆理论研究及其在公路工程中的应用[J].大科技，2013（7）：160-161.

[5] 康红普，冯志强.煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势[J].煤矿开采，2013，18（3）：1-7.

[6] 米承勇，王道平，何智海.超细水泥灌浆材料的研究与发展[J].粉煤灰综合利用，2008，19（6）：51-53.

[7] 魏明俐.深部软岩巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[D].青岛：山东科技大学，2010.

[8] 陈艾.大断面软岩巷道破坏机理分析与工程应用研究[D].山东科技大学，2010.

[9] 张农.巷道滞后注浆围岩控制理论与实践[M].中国矿业大学出版社，2004.endprint