含不同預制裂隙相似試樣的注漿誘發劈裂裂隙擴展規律研究

黃曉昇，張 超，程 成，趙亞婕

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054）

注漿技術在諸如水利、隧道、建筑、煤礦等眾多工程領域中有著廣泛的應用[1-3]，該技術可將漿液填充進破裂巖體的裂隙中，使裂隙巖體的物理力學性能獲得大幅提升[4-6]。歐陽進武[7]對穩壓和脈動注漿方式下的漿液擴散機理進行了研究，發現穩壓注漿擴散距離更遠；宗義江[8]采用承壓注漿加固系統對破裂巖樣進行注漿加固，并對固結體的力學性質進行了測試研究；侯冰[9]通過真三軸水力壓裂試驗平臺展開壓裂試驗，發現水平地應力差在一定范圍內，水力裂隙容易貫通原始裂隙；范濛[10]通過觀察水力壓裂過程中壓裂液排量、垂向地應力差異系數的變化，發現泵壓和聲發射波動與水力裂縫發育存在對應關系；鐘祖良[11]對漿液在土石試樣中的擴散機制及其影響因素進行了研究，發現含石量達到一定程度，漿液擴散方式由劈裂變為滲透；楊圣奇[12]通過單軸壓縮對含單個不同孔洞砂巖的裂紋發育規律進行了研究，發現含孔試樣強度較低，微震信號集中于孔洞周圍；姜婷婷[13]根據水力裂隙的空間分布形態揭示了煤巖儲水層水利裂隙的發育規律，即水力裂隙傾向于層理薄弱處擴展；趙揚鋒[14]基于微震信號和電荷感應信號變化情況，對含裂隙砂巖破裂前兆規律進行了研究，發現砂巖強度隨裂隙傾角減小而降低；于利強[15]設置不同加載速率對含不同角度預制裂隙的巖樣進行單軸壓縮試驗，發現裂隙發育主要受應力變化影響；韓震宇[16]對單軸壓縮下含端部裂隙的巖體裂紋擴展規律進行了研究，結果表明起裂裂隙一般為試樣破壞的主裂隙。上述研究分析了不同漿液黏度、注漿壓力、單變量預制裂隙等對小尺寸試樣裂隙發育規律的影響,而針對大尺寸、多變量影響下的裂隙劈裂規律研究較少.為此，制作了含不同預制裂隙的煤巖相似試樣，通過自主開發的相似試樣注漿物理模擬試驗平臺對含不同位置、角度和尺寸預制裂隙相似試樣的注漿誘發劈裂裂隙擴展規律進行了研究，為煤巖注漿工程的進一步發展和完善提供了參考。

1 含預制裂隙相似試樣注漿劈裂試驗

1.1 含預制裂隙相似試樣的制備

在注漿劈裂試驗中，以沙子為骨料，水泥和石膏為膠結劑（沙子∶水泥∶石膏的配比為4∶1∶1），混合質量分數為10%的水制備煤巖相似試樣[17-18]。在相似試樣制備時，首先將上述原料充分混合，然后加入水。充分攪拌后，將混合物倒入尺寸為300 mm×300 mm×300 mm（長×寬×高）的模具中并壓實，制成相似試樣。在準備相似試樣的過程中，通過將紙板埋在相似試樣中指定位置來預制裂縫，預制裂隙參數見表1，各試樣制作2 組共18 個，1 組預制裂隙與注漿孔相交，另1 組不相交。此外，還預埋了使用鋼管制成的注漿管，該鋼管的外徑和內徑統一，尺寸分別為12 和10 mm。制備完成后，將試樣靜置1 d，拆開模具，然后在常溫下養護28 d。相似試樣預制裂隙位置如圖1。

表1 預制裂隙參數Table 1 Prefabricated fracture parameters

圖1 相似試樣預制裂隙位置Fig.1 Similar sample prefabricated crack position

1.2 試驗系統

注漿模擬試驗平臺圖如圖2，進行相似試樣注漿試驗的物理模擬試驗平臺主要包括3 部分，分別為聲發射數據采集系統、注漿系統和三維可視化注漿平臺。

圖2 注漿模擬試驗平臺Fig.2 Grouting simulation test platform

三維可視化注漿平臺，其優勢在于平臺周圍的安全防護裝置采用高強度鋼化玻璃材質，在確保安全系數的情況下，解決了注漿過程可視效果較差的問題，可在注漿過程中實時監控試樣情況。聲發射數據采集系統則為PEIC-8 8 通道聲發射監測系統，采用16 位A/D 轉換技術，除了可直接對聲發射特征參數進行實時分析，還可對劈裂裂縫進行精準三維定位[19-21]。前置放大器、傳感器、數據采集儀器和主機分析軟件為聲發射數據采集系統的4 大組成部分。其中前置放大器的增益率設為60 dB，聲發射系統的閾值參數設為40 dB，采樣率為1 MSPS。注漿系統由控制系統、注漿泵、注漿管、連接件等部分組成，注漿泵可在控制系統的設定下，將水灰比為2∶1的純水泥漿液，在20 mL/min 的恒定速率下進行注漿。

2 試驗結果

2.1 預制裂隙尺寸對注漿裂隙劈裂的影響

PF-50-25 的相似試樣注漿斷面圖如圖3，PF-100-25 的相似試樣注漿斷面圖如圖4，PF-100-50的相似試樣注漿斷面圖如圖5。

圖3 PF-50-25 的相似試樣注漿斷面圖Fig.3 Fracture surface of specimen PF-50-25

圖4 PF-100-25 的相似試樣注漿斷面圖Fig.4 Fracture surface of specimen PF-100-25

圖5 PF-100-50 的相似試樣注漿斷面圖Fig.5 Fracture surface of specimen PF-100-50

分析發現，預制裂隙尺寸對注漿誘發的裂隙劈裂規律有一定的影響：劈裂裂隙發育方向在預制裂隙的作用下發生變化；隨著注漿作業的進行，相似試樣注漿孔周圍壓力積聚、裂隙發育，劈裂裂隙擴展到預制裂隙后，漿液填充預制裂隙；隨著注漿壓力的升高，預制裂隙內部再次發生裂隙劈裂；然后，劈裂裂隙不斷延伸，最終破碎試樣，形成一個穿透性的破裂面。觀察斷面，根據染色區域判斷漿液的流動、滲透軌跡。基于漿液的流動、滲透軌跡，研究預制裂隙對注漿誘發裂隙劈裂規律的影響。

觀察圖3 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發現，當預制裂隙的長度和寬度較小時，注漿引起的裂隙劈裂主要受樣品的非均質性影響，并表現出一定的隨機性，并且大部分注漿引起的劈裂裂隙未延伸到預制裂隙。50 mm×25 mm（長×寬）的小尺寸預制裂隙對注漿誘發的劈裂裂隙發育造成的影響較小。

觀察圖4 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發現，該情況下，部分注漿誘發的劈裂裂隙向預制裂隙方向延伸，延伸到預制裂隙后，出現了不同大小的分支。說明100 mm×25 mm（長×寬）的預制裂隙對注漿誘發的劈裂裂隙產生一定程度上的影響。

觀察圖5 劈裂裂隙和漿液流動軌跡可以發現，該情況下，注漿誘發的劈裂裂隙不但延伸到了預制裂隙處，而且在漿液填滿預制裂隙后產生壓力積聚，導致在預制裂隙尖端出現二次劈裂，二次劈裂沿預制裂隙的傾角向外發育。說明100 mm×50 mm（長×寬）預制裂隙的試樣，注漿誘發的劈裂裂隙的擴展受到預制裂隙的顯著影響。

2.2 預制裂隙角度對注漿裂隙劈裂的影響

在對相似試樣進行注漿劈裂試驗時，影響劈裂裂隙發育方向的一個主要因素就是預制裂隙的角度。在預制裂隙尺寸較小時，初期劈裂趨勢往往與預制裂隙傾角方向保持一致，但劈裂裂隙往往還未完全貫穿試樣，就會過早的產生偏移；預制裂隙尺寸較大時，劈裂裂隙往往可以順著傾角方向發育直至試樣失效。預制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結果見表2。

當預制裂隙的尺寸足以影響注漿劈裂裂隙擴展時，劈裂裂隙的發育方向會極大的受到預制裂隙角度的影響。這主要是因為：在注漿初期，注漿孔周在注漿壓力的作用下，會產生一些注漿裂隙，裂隙的發育方向與試樣最小主應力方向一致。隨著注漿進行，出現在注漿孔附近的劈裂裂隙快速發育，直至延伸到預制裂隙后，漿液對預制裂隙進行填充。待注漿壓力積累到一定程度后，會在預制裂隙的周圍產生二次劈裂。預制裂隙的傾角改變了巖石內部最小主應力的方向，使新產生的劈裂裂隙更容易沿預制裂隙的傾角發育。

表2 預制不同角度裂縫的試樣注漿劈裂結果Table 2 Results of grouting induced splitting fractures in materials containing prefabricated fractures with different angles

2.3 預制裂隙與注漿管位置對裂隙劈裂的影響

PF60-100-25 試樣聲發射事件數與泵壓曲線對應圖如圖6。

由注漿孔與預制裂隙不相交試樣注漿過程中聲發射事件數隨泵壓變化的結果（圖6（a））可知。在注漿壓力小于6.5 MPa 時，此時注漿壓力達不到相似試樣的起裂壓力，幾乎沒有聲發射信號產生；當注漿壓力持續增大至6.5 MPa 時，泵壓上下波動，注漿壓力出現反復積聚和釋放現象，此時聲發射信號迅速增多，注漿孔孔周開始出現劈裂裂隙，裂隙延伸方向為試樣最小主應力方向，直至與預制裂隙相貫通；下一階段為漿液填充階段，此時幾乎不產生新裂隙，因此聲發射信號較少；隨著漿液填滿裂隙，注漿壓力進一步增加至7.5 MPa 時，試樣內部產生新的劈裂裂隙，注漿壓力上下波動，在此階段出現大量聲發射信號；而后漿液進一步填充至新產生的裂隙中，當注漿壓力超過6.9 MPa，注漿劈裂達到裂隙擴展階段，此時新產生的裂隙被漿液填滿，裂隙沿著應力集中的方向擴展，聲發射信號大量產生，直至裂隙發育、貫穿整個試件，漿液從試件表面流出，裂隙最終形態沿注漿孔軸線方向對稱分布。

圖6 PF60-100-25 試樣聲發射事件數與泵壓曲線對應圖Fig.6 AE event counts and mercury injection curves of PF60-100-25

PF60-100-25 注漿孔與預制裂隙相交試樣注漿過程中聲發射事件數隨泵壓變化的結果（圖6（b））可知，由于在試樣制作過程中便將預制裂隙與注漿孔相交，因此該試樣注漿過程中沒有劈裂貫通階段。注漿作業開始后，漿液直接填充預制裂隙；當注漿壓力達到7.7 MPa 后，沿預制裂隙傾角方向開始出現裂隙劈裂現象，此時進入裂隙劈裂階段，注漿壓力上下波動，在此階段出現大量聲發射信號；隨著注漿過程的進行，再次進入漿液填充階段，此時由于不產生裂隙，因此聲發射信號較少；當注漿壓力超過7.4 MPa，注漿劈裂達到裂隙擴展階段，裂隙沿著應力集中的方向擴展，聲發射信號大量產生，直至裂隙發育、貫穿整個試件，漿液從試件表面流出。

由PF60-100-50 2 種試樣聲發射事件數隨泵壓變化結果與PF60-100-25 2 種試樣相類似。通過上述分析可以得出以下結論：當注漿孔與相似試樣預制裂隙不相交時，注漿過程分為4 個階段，分別為劈裂貫通階段、漿液填充階段、裂隙劈裂階段、劈裂擴展階段；當注漿孔與相似試樣預制裂隙相交時，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴展3 個階段。

3 結 論

1）預制裂隙的尺寸對注漿裂隙劈裂有一定的影響，當預制裂隙的長、寬尺寸較小時，注漿誘發的裂隙劈裂主要受相似試樣不均勻性的影響，并呈現出一定的隨機性；隨著預制裂隙長、寬尺寸的增大，周邊巖體強度變弱，注漿孔周圍的裂縫沿最小主應力方向發育，逐漸朝預制裂縫的方向靠近，劈裂裂縫與預制裂縫相貫通后，漿液流入壓力積聚，沿著預制裂縫的傾角劈裂裂隙向外發育直至試樣破壞。

2）預制裂隙的預制角度，對相似試樣內部的最小主應力方向造成了影響。使新發育的劈裂裂隙更傾向沿著預制裂隙的角度向外發育。預制裂隙的角度對注漿裂隙劈裂的方向具有顯著影響，不同的預制裂隙角度影響甚至決定著劈裂裂隙的發育方向。

3）通過對相似試樣聲發射事件數與泵壓變化曲線進行分析可以發現，泵壓波動與聲發射事件積聚相對應，反映了注漿劈裂裂隙的擴展過程。當注漿孔與相似試樣預制裂隙不相交時，注漿過程分為4個階段，分別為劈裂貫通階段、漿液填充階段、裂隙劈裂階段、劈裂擴展階段；當注漿孔與相似試樣預制裂隙相交時，僅有漿液填充、裂隙劈裂、劈裂擴展3個階段。