低黏度超细水泥浆液单裂隙注浆试验效果分析_张毅.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 低黏度超细水泥浆液单裂隙注浆试验 效果分析 张毅 1,2， 马有宝1， 左志昊1， 赵 真 1,张英实1,赵 磊 1 （1.中国矿业大学 （北京） 力学与建筑工程学院， 北京 100083； 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083） 摘要 针对城郊煤矿现场注浆堵水问题， 通过室内注浆试验来模拟现场的注浆工程， 对比 3 种 不同黏度的超细水泥浆液的注浆效果； 对泥质砂岩单裂隙试件进行注浆试验， 测试砂岩单裂隙 试件注浆后的黏结强度恢复能力和抗渗能力， 宏观评价注浆效果； 运用 SEM 电镜扫描与数字图 像处理技术， 统计注浆前后的砂岩单裂隙试件断面的特征孔隙率， 微观评价注浆效果。研究表 明 优化组低黏度浆液注浆后黏结强度提升了 35， 渗水速率平均下降到 1.39 mL/h， 并且断面 特征孔隙率达到最小值 1.31， 表明优化组低黏度超细水泥浆液具有良好的注浆效果。 关键词 低黏度超细水泥浆液； 注浆加固； SEM 电镜； 细观形态； 数字图像处理技术 中图分类号 TD353.8文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0055-06 Analysis on Experimental Results of Single Crack Grouting for Low Viscosity Ultra-fine Cement Slurry ZHANG Yi1,2, MA Youbao1, ZUO Zhihao1, ZHAO Zhen1, ZHANG Yingshi1, ZHAO Lei1 （1.School of Mechanics and Architecture Engineering, China University of Mining and Technology （Beijing） , Beijing 100083, China;2.State Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering, Beijing 100083, China） Abstract For the problem of grouting and plugging water in Chengjiao Coal Mine, the indoor grouting experiment is used to simulate the grouting project on site. The grouting effect of three kinds of ultra -fine cement grout with different viscosity is compared. The grouting test was carried out on the single fracture specimen of argillite sandstone to test the bonding strength recovery ability and impermeability after the grouting of the single fracture specimen of sandstone, and to uate the grouting effect at a macro level. By means of SEM scanning and digital image processing technology, the characteristic porosity of the sandstone single crack specimen before and after grouting is counted, and the grouting effect is uated microscopically. The research shows that the bond strength of the optimized low-viscosity slurry increased by 35, the water seepage rate decreased to 1.39 mL/h, and the cross-sectional characteristic porosity reached the minimum value of 1.31, indicating that the optimized group of low-viscosity ultra-fine cement slurry has good grouting effect. Key words low viscosity ultra -fine cement slurry; grouting reinforcement; SEM; mesoscopic ; digital image processing technology 我国矿山建设的井巷施工深度已接近于 1 000 m[1]， 河南省正龙煤业有限公司城郊煤 21106 工作面 埋深区间就处于 750～816 m， 需要对渗水裂隙进行注 浆填充。而岩土的组成成分和结构的复杂性给注浆 相关的理论研究和工程应用增加了很大的难度， 因 此需要通过室内模拟注浆可选取优化注浆浆液[2-4]。 单一裂隙简化注浆模型是室内注浆试验常用的模 型[5]， 此模型简便， 试验直观， 但在工程实际应用中 仍具有一定的差距，为了更好的应用于实际工程， 相关学者分析了裂隙粗糙度对注浆量和浆液在裂隙 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.011 张毅， 马有宝， 左志昊， 等.低黏度超细水泥浆液单裂隙注浆试验效果分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 55-60. ZHANG Yi, MA Youbao, ZUO Zhihao, et al. Analysis on Experimental Results of Single Crack Grouting for Low Viscosity Ultra-fine Cement Slurry ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 55-60.移动扫码阅读 55 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 中扩散范围的影响规律[5-10]。EisaK[11]通过模型试验 研究了土体注浆劈裂情况与力学机制，并通过 CT 扫描观察了浆液固结体中浆液的扩散分布情况。中 国水利水电科学研究院的平板裂隙的注浆试验得出 了扩散半径与注浆压力、浆液黏度及注浆时间之间 影响规律[12]。 郭密文[13-14]等人制造了能够模拟高压力 环境下模拟注浆的设备，以解决高压力下的注浆问 题。杨仁树， 郭东明[15-16]等对破坏软岩中的微小裂隙 进行了实验室注浆试验，用 CT 扫描技术分析了不 同组分浆液的注浆特点和加固效果，为实际注浆工 程提供依据。还有 Bezuijen[17]、 Bolisetti[18]、 李术才[19]、 王档良[20]等学者在注浆的物理模型试验上采用了基 于理论的物理模型来进行注浆模拟试验，这样的研 究对象更符合工程实际，得出的结果与现场较为相 符。针对河南省正龙煤业有限公司城郊煤 21106 工 作面现场注浆堵水工程问题，结合实际工程，配比 出 3 种不同黏度的超细水泥来进行室内模拟注浆试 验，从而为实际注浆工程提供优化组低黏度超细水 泥浆液， 并且验证其具有良好注浆效果。 1单裂隙注浆试验宏观注浆效果分析 1.1试验试件的制备 试验选用的试件原料取材于河南省正龙煤业有 限公司城郊煤矿 21106 综采背拉工作面顶部基本顶 的细粒砂岩。将现场取出的岩心岩样加工成尺寸为 φ50 mm100 mm 的标准岩石试件， 进行注浆模拟试 验， 制作好的标准岩石试件如图 1。 为了避免在模拟裂隙的过程中将试件整体压 坏， 采用劈裂法， 在试件的中部产生 1 条贯通岩石试 件的裂隙，模拟出自然状态下的纵向单裂隙裂纹。 通过紧密缠绕柔性塑料胶带的方式让试件保持完整 性，并通过在注浆时采用夹具使试件产生侧向的压 力，使之更符合裂隙受到围压的荷载下产生闭合的 状态，然后在注浆一端钻取 20 mm 深的注浆孔， 部 分制作好的注浆试件如图 2。 1.2注浆试验 注浆模拟试验采用自主研制的 MYZJ-2 型液压 注浆系统，该系统由注浆压力控制系统、液压加压 系统、 注入系统和装置固定系统组成， 其结构及组合 形式示意图如图 3。 该设备能够提供最大 25 cm 的注浆行程。液压 式的千斤顶的吨位为 13 t。为找到试验的适宜注浆 压力量程， 提前进行注浆压力测试试验， 在注浆腔中 注入清水， 并缓慢提升注浆压力， 经过测定胶圈的密 闭能力能够保持在 0～1.5 MPa，符合现场注浆压力 值范围，所以设备进行低黏度浆液注浆试验时的注 浆压力最大值不超过 1.5 MPa。 1.3黏结强度测试 1.3.1试验测试原理 黏结强度是岩体注浆后 1 项重要的力学性能参 图 1制作好的标准岩石试件图 Fig.1Prepared standard rock specimen diagram 图 2制作好的纵向裂隙模拟注浆试件 Fig.2Prepared simulated grouting specimens with longitudinal fractures 图 3注浆设备及内部结构示意图 Fig.3Schematic diagram of grouting equipment and internal structure 56 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5裂隙试件注浆封堵抗渗实验结构示意图 Fig.5Schematic diagram of experimental structure of grouting sealing of crack specimen 表 1注浆强度恢复试验结果 Table 1Grouting strength recovery test results 试验组 漏斗 黏度 /s 水灰 比 聚羧酸 掺量 / 粉煤灰 替代量 / 结石体 单轴强 度/MPa 平均黏 结强度 /MPa 第 1 组 第 2 组 优化组 26.2 21.6 17.5 0.8∶1 1.0∶1 1.0∶1 0.30 0.20 0.25 30 25 25 11.79 11.98 24.22 4.32 5.42 5.83 数，注浆能改善岩体裂隙弱面的力学性能，提高岩 体整体的稳定性，使得裂隙的内摩擦角和黏聚力在 一定程度上得到提高。泥质砂岩在设置裂隙时， 试 件从中部断裂分成 2 个部分，注浆后黏结在一起成 为整体，相关注浆研究表明，注浆后试件破坏面仍 会沿着裂隙开展，在对比注浆加固效果时，从破碎 岩体的胶结能力来宏观分析注浆效果，采用注浆后 试件的受压产生裂隙黏结破坏时的抗压值即黏结强 度来表示注浆后浆液的加固作用，以此为研究不同 黏度浆液的注浆效果的指标。 1.3.2试验内容 试验选取出了以大致 5 s 漏斗黏度为梯度的配 比浆液进行注浆模拟试验， 分别为 黏度为 26.2 s， 黏度为 21.6 s 和优化组黏度为 17.5 s。每组试件选 取 3 个样本，在注浆压力均为 1.0 MPa 和注浆时间 均为 5 min 的条件下进行注浆。注浆效果如图 4。 图 4注浆后的试件注浆口外貌 Fig.4Appearance of the specimen grouting opening after grouting 通过压力机测出试件注浆后受压开裂的临界 值， 注浆强度恢复试验结果见表 1。 分析黏结强度测试试验看出，试件注浆后裂隙 抵抗外力变形的能力都得到了一定程度的提高， 优 化组黏度试验中，试件的黏结加固效果最好。优化 组黏度浆液相比最高组黏度浆液，其黏度下降了 33.2％， 但黏结强度提升了 35.0,表明随着黏度的 降低，浆液在裂隙移动过程中所受到的滑移阻力降 低，浆液的扩散传递效率提高，有效的注浆距离和 黏结面积增大， 因此试件黏结强度增大。 1.4堵水试验测试 1.4.1测试设备 为了能够宏观定量的观测出注浆后的堵水效 果，对注浆前后的试件进行的抗渗试验，来定量测 量出注浆后试件的堵水效果。堵水试验设备主要由 φ100 mm 水管、 三通转换头、 内径 50 mm 的水管和 隔膜式压力表组装的 1 套设备，该设备的示意图如 图 5。 1.4.2堵水试验内容 通过测试注浆前 6 个试件的渗水性可以统计单 裂隙试件的渗水速度，另一方面可以有效检测裂隙 的闭合程度是否一致，以及对 6 个裂隙注浆后的试 件进行不同注浆压力下的渗水速率测试，测试结果 见表 2 和表 3。 渗水速率/ （mL s-1）58.7650.4257.6562.3258.4755.43 123456试件编号 表 2裂隙试件注浆前渗水速率测试结果 Table 2Test results of seepage rate of fissure specimens before grouting 57 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6SEM 扫描系统 Fig.6SEM scanning system 表 3裂隙试件注浆后渗水速率测试结果 Table 3Test results of seepage rate of fissure specimens after grouting 试件 编号 注浆压 力/MPa 1 h 渗水 量/mL 2 h 渗水 量/mL 3 h 渗水 量/mL 每组平均速 率/ （mL h-1） 平均速率 / （mL h-1） 1 0.5 2.43.75.6 2.05 1.39 22.44.26.7 3 1.0 1.12.33.1 1.08 41.42.53.4 5 1.5 1.22.33.3 1.03 61.01.92.9 注浆后裂隙试件的平均渗水速率下降到 1.39 mL/h， 达到封堵水的效果。随着注浆压力的提升， 水泥颗粒在裂隙中不断聚集，使裂隙的填充效果 增大， 注浆深度进一步提高， 水泥颗粒在裂隙中的 扩散能力增强，渗水速率随之下降，但注浆试件的 体积有限，注浆压力对试件的注浆封堵效果影响 较小， 在注浆压力下， 裂隙中的气体会被浆液挤压 排出，残存的气泡和未填充的裂隙会形成潜在的 渗水通道，而低黏度的超细水泥浆液由于自身的 特性在较低注浆压力下就能通过渗水通道较好的 渗入裂隙当中，使注浆填充更加密实，达到较好的 注浆效果。 2注浆试件裂隙断面细观形态 将注浆前后试件断面放到 SEM 扫描设备中获 取其微观照片， 然后用 Matlab 图像数字处理技术对 SEM 图像进行筛选优化处理， 提取图像中能反应注 浆后泥质砂岩试件的孔隙结构并统计断面的特征孔 隙率， 微观评价注浆效果。 2.1SEM 电镜扫描 观测的岩石注浆前后断面的微观形态主要应用 的是高精度扫描电镜系统，该系统能够同时观测 4 个样本， 便于寻找合适的图像以进行保存。SEM 扫 描系统如图 6。 选取岩体注浆前的断面和强度测试试验中黏度 为 26.2 s、黏度为 21.6 s 和优化组黏度为 17.5 s 对 应的试件断面进行 SEM 扫描， 分别可以观测到岩体 自身的空隙结构和注浆后对岩体的裂隙填充结合情 况， 判断浆液的注浆效果。 在高真空环境下，选择放大倍率为 100、 350、 1 000、 2 000 倍进行扫描， 将扫描所得的图像进行拍 照保存， 现选取 2 000 倍的图像进行对比， 断面微观 特征分析图像如图 7。 图 7试件断面微观特征 SEM 图像 Fig.7SEM images of microcosmic characteristics of specimen section 观察特征图像可知， 图 7 （a） 注浆前的试件细观 表面粗糙程度较高，高低起伏较大，整体凸起部分 呈尖锐的山峰状，属于脆性断裂的破坏形式，在断 面的低陷处存在着一定量大小不同的泥土颗粒， 这 些颗粒填充着砂岩自身的微小裂隙。图 7 （b） 、 图 7 （c） 、 图 7 （d） 注浆后的试件随着超细水泥浆液黏度 的降低，其粗糙程度越来越小，试件断面整体上越 来越平滑， 断面形状呈细小的波纹状， 颗粒的水化反 应较为完全，细小的粉煤灰和水泥颗粒被水化的胶 凝物质包裹良好， 具有良好的注浆效果。 58 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 4注浆后试件断面图像的微观结构特征孔隙率 Table 4The porosity of the microstructure of the section image of the specimen after grouting 观测组 SEM 放大倍率 漏斗黏度 /s 平均黏结 强度/MPa 特征孔隙率 /％ 砂岩2 000--3.38 第 1 组2 00026.24.323.48 第 2 组2 00021.65.422.65 优化组2 00017.55.831.31 2.2MATLAB 图像处理微观分析 2.2.1图像处理过程和结果 1） 图像处理过程。砂岩试件注浆前后断面 SEM 图像的数字处理过程如下 ①SEM 图像排除干扰截 取； ②图像灰度均衡处理； ③特征孔隙提取； ④孔隙 骨架描绘图。 2） 图像处理结果。选取放大倍率 2 000 的 SEM 图像进行处理， 得到了孔隙骨架描绘图如图 8。 图 8微观孔隙骨架描绘图 Fig.8Microscopic pore skeleton diagram 由图 8 （a） 可以看出， 注浆前图像提取出的特征 孔隙较为集中，孔隙形状不规则，有些孔径较为粗 大，由于原岩的断面高低起伏较大，低处多为孔隙 较大部位。但从图 8 （b） 、 图 8 （c） 图像可以看出， 较 高黏度的浆液注浆后的断面图像中孔隙分布较为分 散， 大多孔径较小， 很少部分的孔隙会相互连接， 大 多独立成形。优化组低黏度浆液注浆后的断面图像 图 8 （d ） 中孔隙分布开始出现不均匀的现象， 浆液固 结后表面孔隙含量减少，断面的完整度进一步提 高，最后孔隙分布呈零星点状分布，浆液的水化较 好，孔隙结构已经被胶结的物质填充，具有良好的 注浆效果。 2.2.2孔隙率处理结果 通过图像处理语言提取图中的黑色孔隙进行统 计， 比对背景中的底面面积， 得到相应的孔隙率。注 浆后试件断面图像的微观结构特征孔隙率见表 4。 对比 4 种断面的孔隙率，可以发现在黏度为 26.2 s 时， 断面特征孔隙率反而有所上升， 这是因为 高黏度浆液的水化不充分，较多的大孔隙被水泥颗 粒填充导致孔隙被细化，原有的大孔径被注浆后的 小孔径代替，所以特征孔隙率有所上升。但随着黏 度的降低， 水泥颗粒的水化反应充分， 结石体的组织 密实， 特征孔隙率明显降低， 在优化组黏度为 17.5 s 时断面特征孔隙率达到最小值 1.31％，说明注浆后 的试件孔隙大幅度减少， 一小部分小孔径被细化， 具 有良好的注浆效果。 3结论 1） 优化组浆液相比高黏度的浆液黏度下降了 33.2％， 但黏结强度提升了 35.0％。 2） 抗渗试验表明低黏度超细水泥浆液有良好的 抗渗效果，裂隙在注浆压力下由原始的涌水状态变 为缓慢渗水的状态，渗水速率平均下降到了 1.39 mL/h， 达到了堵水效果。 3） 随着浆液黏度的降低， 注浆效果增强。 相同水 灰比下，黏度越低的浆液，水泥颗粒的水化反应越 好， 结石体的组织越密实， 注浆效果越好。 4） 随着浆液黏度的降低， 断面特征孔隙率不断 降低， 在最优组黏度中， 断面特征孔隙率达到最小值 1.31％， 注浆效果明显。 5） 现场注浆工程中， 应参考黏度为 17.5 s， 注浆 压力为 1.5 MPa 超细水泥浆液进行注浆堵水。 参考文献 ［1］ 柏建彪， 侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2006， 35 （2） 145-148. ［2］ 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