含裂纹岩石试件注浆模拟测试系统研制及试验研究

吴犇牛， 刘钦节， 付强， 韩运

(1.安徽理工大学矿业工程学院， 淮南 232001； 2. 合肥综合性国家科学中心能源研究院， 合肥 230031； 3. 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室， 淮南 232001)

地下工程建设过程中，因开挖、支护、往复加载等因素导致岩石受到扰动而产生裂隙，是产生矿山与地下工程灾害的主要原因，从而易发生事故[1]。注浆法是加强岩石强度、牢固破碎岩体、避免顶板灾害的高效措施[2]。为确保含裂纹围岩变形可控，通过向裂隙岩体注浆填充修复岩体裂隙，进而提高围岩稳定性。岩体注浆力学性质研究对现场工程建设具有重要的指导意义，而室内试验研究作为岩石力学性质测试的主要手段，在岩石注浆研究领域也具有广泛的适用性。

目前，大量学者在岩石裂纹注浆试验装置研制以及试验研究方面开展了相关研究，王志等[3]、Ma等[4]、韩贵雷[5]针对含裂纹岩石注浆后力学性质开展相关实验后得出，注浆对破裂岩体中岩块应力状态发生改变有显著影响；王春等[6]、武东阳等[7]、金爱兵等[8]经过试验探究发现，选取不同的注浆材料对破裂岩石试样的加固强度有明显不同；同时宗义江等[9]、Zhang等[10]、陆银龙等[11]、陈懿等[12]从微观结构探究注浆加固对岩石试样力学特征的影响。

Sun等[13]开展注浆模拟试验系统对破碎砂岩使用复合浆液加固效果进行了验证，在添加有机物后的复合浆液明显改善了脆性破坏现象；李召峰等[14]研制了一套针对富水破碎灰岩的大型注浆加固试验系统，研究了注浆加固效果的影响因素；王永岩等[15]使用相似模拟材料，制备出含不同角度裂隙类岩石试件研究裂隙对岩石力学性质的影响；张伟杰等[16]自主研制的三维注浆模型试验系统，可实现富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验，分析帷幕注浆加固体形态及细观特征；郭东明等[17]研制了一种实验室液压注浆系统，利用预制含孔径岩石试样进行注浆试验，并利用电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)技术可观测岩石注浆时浆液扩散情况。上述研究虽从各个角度分析注浆对岩石力学性质的影响，但受限于加工技术及条件限制，主要使用类岩石试样或预制裂纹试样进行试验研究，未使用原岩或真实破坏裂纹试样，对现场真实岩石注浆情况缺乏研究探索。

在此基础上，葛双双[18]研发了一套破裂围岩加锚、注浆、锚注一体化试验系统，对200 mm × 200 mm × 200 mm岩石试样进行约束加载获取破裂岩石试样进行注浆加固研究；刘杰等[19]基于可视化渗流装置，分析了裂隙岩石渗流状态；张志婷等[20]对100 mm × 100 mm × 100 mm 的立方体花岗岩试样预制节理研究三轴加载过程中临空面上平均温度变化和温度特征粗糙度变化特征与应力应变的关系。张家奇等[21]基于多功能综合注浆加固试验系统，开展了不同岩土体介质开展多类注浆加固试验。

上述设备存在试验结束后取样过程复杂、步骤烦琐、试验重复验证过程周期长、成本高等问题。在现有实验装置基础上，现研制一种三联一体化含裂纹岩石试件注浆装置，对含裂纹岩石试样进行简易注浆，并运用该装置开展岩石注浆实验。通过先对岩石试样进行单轴压缩试验获得含裂纹岩石试样以及其力学参数，再对其进行注浆加固后，对比前后力学性能的变化验证装置可行性，为现场的围岩注浆效果评价提供参考。

1 试验系统的研制

1.1 系统设计及其组成

含裂纹岩石试件注浆模拟测试系统主要包括三联同步注浆加压系统、岩石测试系统和数据采集系统，如图1所示。

图1 含裂纹岩石试件注浆模拟测试系统Fig.1 Grouting simulation test system of rock specimen with crack

1.2 三联同步注浆加压系统

研发设计的三联一体化含裂纹岩石试件注浆装置，在保证气密性基础上对含裂隙岩石试样进行注浆，图2(a)为装置示意图。为了使注浆过程中3个岩石试样所处的环境相同，装置腔体设计为3个可以放置岩石试样(Φ50 mm×100 mm)的圆形空腔，3个圆形空腔通过上下的出浆口、注浆口相互连接。

图2 三联一体化含裂纹岩石试件注浆装置Fig.2 Triple integrated grouting device for rock specimen with crack

注浆加压系统由注浆装置和加压装置两个部分组成。注浆装置与加压装置相连，加压装置使用手压泵对浆液进行加压，泵支管处安装压力表，注浆时观测腔内压力大小以满足实验需要。

为确定装置详细设计参数，采用有限元分析的方法对装置进行模拟计算。在构建模型阶段，使用三维建模软件对装置3个主要组成部分进行模型绘制搭建。考虑到模型过于复杂会对划分网格结果出现分布不均、网格杂乱的影响，于是对装置细节部件进行精简，在不改变装置整体设计的前提下着重分析装置的腔体部分。使用有限元分析软件对绘制模型进行分析，分析前对模型进行材料赋予，其材料为45号钢，定义材料属性中抗拉强度600 MPa、屈服强度355 MPa、密度7.85 g/cm3。

装置注浆过程中，腔体内部会受到来自注浆加压的压力。为简便分析过程，将作用与腔体内部的压力进行简化，以 6 MPa的压力施加在内腔表面。对模型进行模拟，得到模型的变形、应力以及安全系数分布云图，如图3所示。

由图3(a)可看出注浆装置腔体在受力时变形情况，变形从下到上呈现逐渐增大的趋势，其中变形最大为3.526×10-3mm，腔体受到压力作用产生的变形量远远小于其原始尺寸，可忽略腔体的变形，对装置性能不会产生任何影响。由图3(b)可知，注浆装置的最大应力点分布在两腔体相连处，且最大等效应力 56.29 MPa，小于45号钢的屈服强度，可以满足强度要求。参照《钢制压力容器》(GB 150—1998)[22]设定材料强度安全系数为3，应力分析设计参照《钢制压力容器——分析设计标准》(JB 4732—1995)[23]设定材料强度安全系数为2.7。而通过对腔体进行分析得出安全系数最小为6.39，确定腔体安全性可以达到保证，如图3(c)所示。

图3 注浆装置变形、等效应力及安全系数云图Fig.3 Cloud diagram of deformation, equivalent stress and safety factor of grouting device

通过对装置进行模型绘制，重点对装置腔体进行有限元分析，从应力、应变、安全系数3个方面分析确定了装置参数选取，其参数满足各方面条件可以对装置进行加工制作。

1.3 岩石测试系统和数据采集系统

岩石测试和数据采集系统使用的是中国科学院武汉岩土力学研究所研制 RMT-150B岩石力学试验系统。轴向位移采用力学试验系统上自带的位移传感器，精度为3‰ F.S.(F.S.表示满量程)，量程为5 mm。岩样所受轴向载荷由试验机施加并自动记录，力载荷和位移数据经传输实时显示和同步储存在计算机上，可直接得出应力-应变曲线。

2 注浆装置验证

2.1 工程概况

谢桥矿井位于安徽省淮南煤田潘谢矿区的西部。矿区占地约50 km2，矿区大致形状为长约11.5 km、宽约4.3 km的矩形。该矿区地理位置位于颖上县东北方向20 km左右，风台县西北方向约34 km。矿区四周据分布有各个矿区井田：张集矿、刘庄井田、罗园井田(新集矿区)。试验岩样取芯区域选取为淮南煤田潘谢矿区的西翼某巷道。

2.2 实验方案

试验分为3组，编号分别为A-1、A-2、A-3。通过对岩石进行取芯后加载制备含裂纹试样，试验过程中，使用 RMT-150B 岩石力学试验系统对各岩石试样进行单轴压缩试验测试岩样初始力学性质。单轴压缩试验均采用位移控制方式加载，加载速率选用1 mm/min，连续加载直至岩样完全破坏，如图4(a)所示。实验完成后对破碎试样进行收集，获得岩石的轴向力和轴向变形数据、单轴压缩过程中的应力-应变曲线，完成含裂纹岩石试样的制备。

将含裂隙岩石试样放置进注浆装置中，如图4(b)所示。利用超细水泥对岩石裂纹进行注浆加固，通过阅读文献[14]按照1∶1水灰比调制水泥浆液，调制完毕后加入注浆设备内，紧固螺栓使之密闭，如图4(c)所示。手动使用注浆泵加压，使注浆液充注浆装置，观察浆液从出浆口溢出后，关闭出浆口继续加压注浆，当压力表达到3 MPa后停止注浆，静止实验装置1 h待试样凝固后取出注浆试样，试样取出后阴干养护完成试样制备。

图4 试验进行步骤Fig.4 Test procedure

注浆加固后再次使用 RMT-150B 岩石力学试验系统对各注浆后试样进行单轴压缩试验。

3 试验结果

3.1 试件注浆前性质分析

通过岩石试样的单轴压缩试验，得到如图5所示的应力-应变关系曲线。可以看出，岩石试件达到峰值应力后，继续加载应力急剧下降，表现出明显的脆性破坏。

图5 岩石试样应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of rock samples

从初始点开始，岩石被挤压压密，内部微裂缝和孔隙迅速闭合。接下来进入线弹性变形阶段，在持续增加的应力载荷条件下，岩石的应力-应变呈线性关系增加，此时岩石内部通常没有新微裂缝的产生。其次为非线性、稳定延展阶段，该阶段岩石内部出现大量孔隙的坍塌，同时产生一些新微裂缝。然后应力-应变曲线达到峰值前，此时为非线性、非稳定延展阶段，此阶段岩石内部出现大量新微裂缝，并最终导致岩石中岩心尺度宏观破裂的发生。应力-应变曲线达到峰值之后，为峰后应变阶段，岩石发生破裂，其内部仅剩余残余强度。根据实验结果可得到岩石力学参数，如表1所示。

表1 岩石试样单轴压缩试验参数Table 1 Uniaxial compression test parameters of rock samples

3.2 试件宏观破坏模式分析

图6为各岩石试样的破坏形态图。可以看出，岩石试样呈现剪切形式破坏，破坏后出现单一剪切裂纹。试样以竖向劈裂破坏为主，局部剪切破坏为辅。

图6 岩石试样宏观破坏形态Fig.6 Macroscopic failure pattern of rock sample

多表现为脆性破坏，破坏时伴随较大的声音。具体破坏特点为沿着竖向存在多条的破裂面，将岩样分成多个长条状块体，个别岩样在其端部存在斜交岩样轴向的剪切面，试样破坏后一般比较破碎。岩样破坏后出现明显的剪切主裂纹和多条拉伸分叉裂纹，岩样宏观破裂面一般由1条对角的主剪切破裂面与1～2条与岩样轴向斜交的次剪切破裂面组成。

3.3 试件注浆后性质分析

通过对破碎岩石试样进行注浆风干后，得到含裂纹岩石注浆试样，如图7所示。再次进行单轴压缩试验测试其力学性质。对比岩石试样初始残余强度与注浆后单轴抗压强度，岩石试样强度对比见图8，通过岩石注浆后力学性能测试可知，注浆岩石力学性质的变化受到岩石强度和注浆材料的影响，在注浆后岩石试样的单轴抗压强度可达到岩石试样初始残余强度的70%～85%。

图7 含裂纹岩石注浆试样Fig.7 Grouting sample of cracked rock

图8 岩石试样强度对比图Fig.8 Strength comparison of rock samples

注浆加固岩石试样的抗压强度与未注浆岩石试样的残余强度对比，可以看出注浆对于岩石力学性质的效果还是较为明显的。因此含裂纹岩石试样注浆模拟测试装置具有良好的实用性。

4 结论

通过对含裂纹岩石试样注浆模拟测试装置设计、模拟、测试，得出了如下结论。

(1)自主研发了三联一体化含裂纹岩石试件注浆性能测试装置，该装置具有使用便携、步骤简便、可同时进行多个同岩性试样注浆试验的特点，便于现场就地取材进行岩石注浆性能简易测试。

(2)通过力学性能测试可以得出，注浆岩石试样力学性质为原岩力学性质的70%～85%，注浆效果可观，试验结果对现场实际工程具有一定的指导意义。

(3)所研制的系统能够应用于含裂纹岩石试件注浆模拟试验研究，为探究岩石试件注浆模拟测试提供试验平台，但试验仅为初步研究，尚未涉及岩石裂隙对注浆试样力学性质的影响，因此，在后期研究中需进一步对此部分进行研究和验证。