注漿理論研究現狀及展望

李浩++文杰

摘 要：本文介紹了注漿理論的發展現狀，詳細介紹了注漿對巷道圍巖加固機理的研究，并總結了目前常用的巷道圍巖注漿材料，簡單介紹了國內外在注漿方面進行的實驗研究，針對現有研究提出了理論上的不足之處，并對其發展方向進行了展望。

關鍵詞：注漿理論 裂隙 注漿材料 注漿試驗

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0105-02

隨著煤礦開采的深度和范圍的不斷增加，復雜困難巷道越來越多，巷道變形破壞越來越嚴重。井下巷道注漿加固技術在巷道維修的基礎上逐步發展起來，注漿加固技術與巷道支護技術一樣成了巷道圍巖的控制有效途徑。

1 注漿理論發展概況

注漿技術是巖土工程及礦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年英國就已經使用水泥注漿的方式進行井筒的注漿堵水。近幾十年來巖土注漿理論發展較快，成果主要集中在巖土介質中漿液流動規律及巖土體的可注性，裂隙充填物對流動和圍巖穩定性的影響，平面裂隙接觸面積對裂隙滲透性的影響，仿天然巖體的裂隙滲流實驗等方面。目前應用較多的仍然以滲透注漿理論和劈裂注漿理論為主[1]。

1.1 滲透注漿理論

滲透注漿是通過注漿泵提供的壓力使漿液滲透到巖土體的孔隙或裂隙中，待漿液凝固后起到加固和防滲作用。國內外學者對該理論進行了大量的實驗研究，基于滲透理論提出了不同的漿液擴散理論，其中廣為接受的有球形擴散理論、柱形擴散滲透理論以及袖套管法理論。

1.2 劈裂注漿理論

劈裂注漿理論認為，高壓漿液會在巖土體的孔隙或裂隙中流動并使孔隙或裂隙進一步擴大、延長，產生劈裂面，漿液便沿此劈裂面，漿液固結后形成骨架。

2 注漿加固巷道機理研究現狀

國內眾多學者通過巷道注漿加固工程實踐和實驗室的研究，總結出注漿加固巷道圍巖的機理有以下內容。

2.1 提高和改善破碎圍巖的強度和力學狀態

對于松動圈大于1.5 m的巷道，其圍巖較為破碎，易產生較大的變形量。這類破碎圍巖一般處于殘余強度階段，承載能力較差，注入漿液后形成的固結體具有較大的粘結力，可明顯提高碎脹巖體的承載能力和抗變形能力。未注漿前，圍巖的強度由不連續面控制，強度和剛度均較低，注漿后圍巖的強度一般由巖石控制，強度提高，圍巖維護狀況得到較大改善。

2.2 充填壓密裂隙

高壓漿液在滲透進一些巖體裂隙的同時，其高壓作用也會對一些未充填裂隙進行擠壓，使原有裂隙減小或閉合，提高圍巖在受荷載作用時承載力和抗變形能力。根據格里菲斯理論，受荷巖體會在其內部裂隙尖端部位出現明顯的應力集中現象，集中應力會使裂隙持續延伸發展，最終導致巖體的破壞，注漿后裂隙會被填充，減小甚至消除裂隙端部的應力集中，轉變圍巖破壞機制，提高巷道圍巖的穩定性[2]。

2.3 注漿封閉作用

根據實驗可知，水對圍巖強度影響較大，一般情況下含水率越高，圍巖強度越低，當巖體含粘土礦物較高時，這種影響愈加明顯；對于膨脹性軟巖，水的存在直接決定著圍巖的強度和變形。對圍巖注漿后，地下水的滲流通道被隔絕，可有效減小水對圍巖的影響。

2.4 強化組合拱結構的承載能力

注漿層與錨桿索形成的平衡拱可以形成多層組合拱共同作用，并且可以將支護體內錨桿由端錨轉變為全長錨固，提高錨桿的錨固力。如圖1所示，注漿后噴網層形成一層拱，預應力錨桿形成的壓力錐與圍巖形成一層拱，最外側注漿層也形成一層拱，這些拱既能夠獨自承載圍巖變形，又能夠共同作用，維護巷道的穩定性[3]。

2.5 限制圍巖深部塑性區發展

對于修復巷道，圍巖較為破碎，巖體依靠殘余強度提供承載力，注漿后破碎圍巖形成整體，應力狀態轉變為彈性狀態，提高加固體的承載能力。同時加固后的圍巖會對深部圍巖形成約束作用，使得深部圍巖受力狀態為三向應力狀態，圍巖強度提高，限制圍巖塑形區的發展，保證巷道深部圍巖有足夠的承載力，巷道圍巖保持穩定狀態[4～6]。

3 注漿材料研究現狀

目前，專門針對巷道圍巖研發的注漿材料不多，同時巷道的服務年限較為有限，大量使用高性能的注漿材料不夠經濟，因此目前巷道注漿加固材料一般采用價格較為低廉的水泥類材料，而其性能則通過添加外加劑的方式進行調節，注漿材料性能主要是其可注性和固化后的強度[7～8]。

目前常用的水泥類注漿材料可分為三類：

（1）普通水泥類注漿材料：這種注漿材料顆粒較大，可注性差，固結時間太長，不能及時限制圍巖的變形，在長距離管道運輸或固結過程中會出現離析現象，無法達到預期強度。但是這種注漿材料來源廣泛、較為經濟，還可以使用外加劑一定程度上提升其性能，故目前被廣泛采用。

（2）超細水泥類注漿材料[9]：基于上述普通水泥注漿材料的缺點，特別是針對某些新掘巷道。其圍巖裂隙較較小，普通水泥的可注性難以滿足其要求，故研究出了超細水泥基注漿材料。超細水泥可注性較好，具有化學漿材的優點的同時且對環境無污染。目前超細水泥的滲透機理仍處于研究階段，國際上對超細水泥的劃分標準尚未統一，各國超細水泥劃分標準見表1。

（3）高水速凝材料：高水速凝材料是近年來新出現的一種水泥類注漿材料，凝結速度快，水灰比可調性好，在較高的水灰比條件下也能夠固結而不離析，漿液流動性好，可注性好，漿液固結后有較好的塑性，且成本不高，是一種性能較為優良的新型注漿材料。

4 注漿試驗研究現狀

注漿試驗多結合室內模擬試驗開展，主要研究注漿參數及其影響因素之間的關系，國內外常用的有平板式、圓管式、槽式模擬實驗臺，通過調節裂隙張開度、長度、粗糙度等參數研究滲流規律，分析注漿參數等。注漿參數研究對象主要有漿液擴散半徑R、注漿壓P、注漿量Q和凝結時間T等，影響因素主要有被注巖土的滲透率k、漿液初始粘度μ0、注漿時間t等。國內外較著名的注漿參數模擬試驗有：無水多孔介質滲透試驗、裂隙巖體的滲透注漿試驗、動水條件下堵水試驗、飽和多孔介質滲透試驗、滲透注漿中的顆粒過濾性試驗、多孔介質注漿模擬試驗、漿液粘度對壓力分布影響的試驗、靜水條件下的驅水試驗、砂卵（礫）石層中注漿模擬試驗研究以及注漿滲透性模擬試驗等。

5 問題與展望

由于巖土體的復雜性和注漿工程的隱蔽性，注漿理論的研究進行難度極大，目前，注漿的理論研究水平嚴重滯后于工程實踐和注漿材料的發展。現有的關于注漿的學術成果中，局限于介紹施工工藝過程和注漿效果，較少從理論分析的角度進行研究，現有結論也已宏觀和感性認識為主，缺乏具體的、定量的測試分析。故未來細觀、微觀層次上的研究是注漿理論研究的重點。

由于模擬條件與實際地層結構有較大差距，裂隙、空隙狀態參數、介質粒度等模擬參數均與實際條件難以吻合，而且常常僅能模擬單一裂隙，因此，模擬出的漿液流動特征及其規律與實際情況相差較大，今后的發展方向是進一步仿真模擬，以縮小這種差距，指導具體的注漿工程實踐。

參考文獻

[1] 楊米加，陳明雄，賀永年.注漿理論的研究現狀及發展方向[J].巖石力學與工程學報，2001，20（6）：839-841.

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[3] 王健.大斷面軟巖巷道深孔注漿和注漿錨桿聯合支護[J].煤礦開采，2008（6）：18.

[4] 金平樂.注漿理論研究及其在公路工程中的應用[J].大科技，2013（7）：160-161.

[5] 康紅普，馮志強.煤礦巷道圍巖注漿加固技術的現狀與發展趨勢[J].煤礦開采，2013，18（3）：1-7.

[6] 米承勇，王道平，何智海.超細水泥灌漿材料的研究與發展[J].粉煤灰綜合利用，2008，19（6）：51-53.

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[8] 陳艾.大斷面軟巖巷道破壞機理分析與工程應用研究[D].山東科技大學，2010.

[9] 張農.巷道滯后注漿圍巖控制理論與實踐[M].中國礦業大學出版社，2004.endprint