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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用

2023-09-25




创新点
1)考虑岩石强度对自应力浆液-岩体耦合效果的影响,获得了普通浆液和自应力浆液对不同岩石强度裂隙岩体的加固性能,揭示了岩石强度对注浆修复岩体裂隙力学参数和宏观破坏形态的影响规律。

2)从界面约束受力状态、介质的接触连接效果和浆液结石晶体密实性等角度,揭示了约束自应力浆液对岩体裂隙界面的复合加固作用机理,明确了自应力浆液体系对不同岩石强度工程围岩的宏观加固效果。

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不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用

作者:张进鹏1, 2李 扬2赵 炜4白 云5韩 刚5许峻豪1贺敬平1刘立民3任 喆1
单位:1.山东农业大学 水利土木工程学院;2.泰山科技学院 通信工程学院;3. 山东科技大学 资源学院;4.陕西彬长矿业集团文家坡煤矿;5.山东正元冶达环境科技有限公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

新奥法自提出后在许多国家得到了快速发展和应用,目前已成为地下工程围岩控制的重要方法。注浆加固是新奥法的拓展,在隧道、井巷、边坡等工程领域应用广泛。注浆加固通过修复裂隙可以促使破碎岩体变为形态完整、结构致密的整体结构,其强度、稳定性、抗渗性等均能得到明显提高。

注浆对破碎围岩硐室的优势主要体现在裂隙岩体改性和杆件全长锚固,具体表现为:①裂隙岩体被浆液充填黏结后,形成类似简单混凝土结构的整体,其中浆液类似胶凝材料,破碎岩体类似骨料,其力学性能必然大大改善;②注浆可使锚杆索杆件的锚固方式变为全长锚固,改变了锚杆索与岩体的挟持受力状态,以及与围岩的协同作用;③浆液充填围岩裂隙后,锚固加固拱的范围被扩大,多层加固拱之间联系性增强,同时硐室顶板、两帮和底板之间获得联系;④浆液封堵岩体裂隙后,隔绝了外界空气和水,阻止了内部围岩的风化和浸泡软化,提高了围岩的长期稳定性。

随着注浆技术和注浆设备的逐步完善,注浆材料成为制约岩体注浆加固效果的关键因素。从宏观整体划分,注浆材料主要包括无机材料和有机材料,及部分有机无机混合材料。KYUNGHO P等以普通硅酸盐水泥、超细水泥、生物灌浆材料和硅酸钠等为原料,研制出浆液的单轴抗压强度比普通硅酸盐水泥提高了 30% 以上。李利平等研制了一种新型高分子注浆材料和一种新型化学堵水材料。王慧涛等以过火煤矸石、水泥、黏土为原料,研制了一种适于含水层改造的新型无机注浆材料。ZHANG JW 等通过超细硫铝酸盐熟料、超细硬石膏和超细生石灰研制了一种新型双液灌浆材料。针对岩体微裂隙及特殊地质条件下普通水泥基浆液扩散性较差难以充满裂隙空间的问题,ZHANG JX等研发了一种新型水泥基注浆材料-SJP注浆材料。

上述注浆材料主要包括化学材料和水泥基材料。化学注浆材料凝结时间易控、黏结性较好,但耐久性较弱、价格偏高,且部分有毒。水泥材料来源于天然矿物,虽然普通水泥基材料价格低廉,耐久性较好,但结石率低、凝固时间长。然而,通过在水泥基注浆材料中掺入外加剂能够改善其性能特点,比如通过减水剂能够实现低掺水条件下的高流动度,通过速凝剂能够改善水泥基材料凝固时间慢的问题,进而满足了工程要求。因此,水泥基注浆材料在岩体工程领域应用相对较广泛。由材料学领域可知,水泥基材料普遍存在自收缩问题,水泥基浆液硬化后体积变小,这与裂隙空间充填胶结理念相违背。混凝土材料由于骨料可搅拌移动,而岩体裂隙空间位置固定,所以导致浆液结石与岩体之间胶结效果降低。2种介质的接触连接对结构整体的力学性能起决定性作用,从课题组前期的试验可以发现裂隙岩体注浆加固后仍沿着浆液岩体界面破坏,且通过界面微观扫描看出浆液与岩体之间存在明显的空隙,说明由水泥基浆液自收缩导致的界面胶结不良的问题已成为制约水泥基注浆加固效果的瓶颈。通过水泥基注浆材料改性,以适应其自收缩的性能成为当前研究的主要方向。

摘要
 ABSTRACT

基于课题组提出的裂隙岩体自应力浆液加固方法,考虑岩石强度对自应力浆液−岩体耦合效果的影响,选取井下砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤为研究对象,进行不同岩石强度预制裂隙 岩体的普通浆液和自应力浆液加固对比试验,分析岩石强度对注浆加固效果的影响;多角度探索 约束自应力浆液对岩体裂隙界面的复合加固作用,揭示浆液自应力的加固机理;通过多个不同岩 石强度的工程围岩案例,分析自应力浆液体系对不同岩石强度工程围岩的宏观加固效果。

结果表明:自应力浆液对软硬岩等不同岩石强度裂隙岩体的加固效果均大于普通浆液,随着岩石强度变弱,注浆对裂隙岩体的加固修复程度逐渐降低,注浆加固岩体试样逐渐由沿着对角线方向的剪切破坏向劈裂崩解破坏过渡;浆液自应力改善了浆−岩界面的约束受力状态,通过增大摩擦力提高了界面的抗剪强度;浆−岩2种介质的接触连接效果被提升,自应力浆−岩界面的胶结密度明显大于普通浆−岩界面;自应力浆液结石晶体颗粒分布更均匀,密实性及力学性能均明显优于普通浆液。超细硅质自应力浆液体系在破碎软岩巷道、相对硬岩巷道、松软煤帮等工程加固中均取得了良好的效果。
部分图片



不同强度代表裂隙岩体试样

约束空间标准试模

岩体试样单轴压缩应力−应变曲线

泰山石母岩与浆脉


砂岩试样单轴压缩破坏过程


炭质泥岩试样单轴压缩破坏过程


砂质泥岩试样单轴压缩破坏过程


 煤试样单轴压缩破坏过程


单裂隙岩体自应力浆液加固力学模型


FEI Nova nano 450 场发射扫描电子显微镜


普通浆液与煤体界面的电镜图像

自应力浆液与煤体界面的电镜图像

2种浆液结石体电镜扫描图像

扩修前 1750 轨道石门变形情况

左旋高强预应力注浆锚杆

+1460m运输石门维修前的变形情况

+1460m运输石门围岩注浆加固效果

原破碎煤帮和注浆加固煤体


28d瓦斯体积分数监测数据变化


作者简介


张进鹏,男,199210月生,山东济宁人,博士,副教授,硕士研究生导师,山东省科技专家库专家、泰安市高层次人才、泰安市环境应急专家、中国岩石力学与工程学会会员、中国职业安全健康协会会员,主要从事注浆加固/堵水材料、岩体力学、混凝土材料等方面的教学与研究工作。主持国家自然科学基金1项、山东省自然科学基金1项和企业委托横向课题10项,参与承担山东省重点研发计划项目及企业委托横向课题10余项,授权国家发明/实用新型专利27项,发表高水平学术期刊论文50余篇,以第一或通讯作者在国内外优秀SCI/EI期刊发表论文24篇,担任多个国际SCI期刊审稿人,获得科技奖励7项。

研究方向

注浆加固/堵水材料、岩体力学、混凝土材料

主要成果

近年来,以矿山和岩土地质灾害、混凝土材料为核心,提出了多种岩体控制方法、混凝土材料改性方法,研发了系列注浆加固改性与封堵材料、流态化高效充填浆体体系、混凝土防腐蚀及防开裂材料、新型锚杆索材料,为全面开展不同条件下工程岩体、混凝土裂缝加固与评价奠定了基础。




来源:

张进鹏,李扬,赵炜,等.不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用[J].煤炭学报,2023,48(9):3347−3359.


责编:王   凡
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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