0.   引言

煤炭作为国家能源结构中的绝对主体，是保障国家能源安全的“压舱石”和“稳定器”^[1-2]。随着国内浅部资源的逐渐枯竭，煤炭开采加速走向深部，所面临的开采条件日趋复杂。在“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透压和强开采扰动）作用下^[3-5]，井工煤岩体完整性差、破裂严重，进而给煤矿采场顶板控制、巷道围岩支护、隔水层保护造成困难^[6-9]。注浆加固技术可有效改善工程煤岩体破裂结构、提高工程煤岩体完整性、增强工程煤岩体物理力学性能，进而实现深井及复杂条件下煤炭资源的安全高效开采。

近年来，围绕注浆加固技术，国内外专家学者及工程技术人员开展了大量研究，并取得了丰富的研究成果。翟晓荣等^[10]针对采动作用后下伏煤层顶板破碎、支护困难的问题，提出了采用注浆加固技术对再生顶板进行提前改性，有效增强了顶板的整体性。吴学明等^[11]针对“三软”煤层工作面片帮问题，开展了注浆加固工业性试验，“注浆材料−煤层”组合体的形成使得煤壁变形量安全可控。彭英华等^[12]针对断层带煤岩破碎问题，采用注浆固化充填作业方式，提高了破碎地层整体黏聚力。黄耀光等^[13]针对深部高地应力巷道围岩塑性破坏特征，设计了精准注浆加固方案，有效减小了塑性破裂区范围。上述研究多聚焦于注浆加固技术工业性实践。合理的注浆方案（包括注浆材料及注浆参数）是保障注浆加固技术成功应用的基础，但现有关于注浆方案的设计较少，且对注浆重塑机理的揭示不够全面，亟待进一步深入。

由于注浆加固技术具有隐蔽性高、工艺复杂、施工成本高等特点^[14-15]，通过井下工业性试验对比优选注浆方案、揭示注浆重塑机理相对较为困难。因此，本文构建一种结构简单、操作性强、可重复使用、维护方便、成本低的注浆加固试验系统，可在实验室内模拟井下注浆加固工程并实现注浆重塑体的可视化。制作具有低离散特性的破裂石膏基类岩体试件，并以水泥浆液中的水灰比为研究变量，利用自主构建的注浆加固试验系统，在实验室内开展不同水灰比下注浆加固试验，分析相应条件下注浆重塑试件宏观充填特征，测试注浆重塑试件的物理力学性能。在此基础上，对比确定最优水灰比，并从宏观和力学角度出发，揭示了注浆重塑机理。

1.   注浆试验系统设计

破裂围岩注浆加固的实质是在压力驱动作用下，流动性浆液在煤岩裂隙介质中扩散、凝固和与破裂结构胶结的过程。笔者及所在研究团队针对破碎围岩锚注加固问题进行了一定研究^[16]，并发明了一种用于煤岩体注浆的试验装置及试验方法^[17]。限制于现有设备加工条件及水平，本文对发明的装置进行了初步实现，构建了可在实验室内应用的注浆试验系统，该系统主要由高压注浆机、承压容器、高压防爆管和压力表等组成，如图1所示。

图  1  注浆试验系统

Figure  1.  Grouting test system

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承压容器作为注浆试验系统中的重要组成部分，是高压浆液与破裂煤岩试件的作用场所。因此，其必须具有良好的密封性、承压性和拆卸性，以达到稳定注浆压力、保障试验安全和可重复试验的目的。承压容器制作材料为厚度10 mm的钢板，其中承压容器主体四周由4块钢板拼焊而成，内径为180 mm×180 mm×180 mm；两侧分别设有浆液进出管路；承压容器主体上下焊接中空钢板，并设有4个孔位；上下盖板设有相同孔位，可通过螺栓与承压容器主体连接固定，拆卸方便；此外，盖板与承压容器主体之间置有橡胶垫片，试验时可在橡胶垫片与钢板接触区域涂抹高分子液体密封胶，以最大限度增强承压容器的密封性，如图2所示。

图  2  承压容器

Figure  2.  Pressure vessel

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2.   试件制备

由于工程煤岩体层理、孔隙、节理等结构相对复杂，均一性差，各向异性明显，且“三高一扰动”下煤岩体破裂程度难以控制，所以，现场钻取方式获得的煤岩样离散性较大，试验结果准确性和可靠性难以保障。石膏体基本力学特性、承载破坏形态均与煤岩体类似，且石膏具有可塑性强、固化速度快的特点。因此，本次制作标准圆柱体石膏基试件，在此基础上通过控制压力试验机加载参数以预制破裂程度大致相同的破裂石膏基试件。

2.1   标准试件制备

纯石膏基试件强度低、吸水性强，为了改变其物理及力学特性，使之与煤岩试件更为相似，通过添加硅酸盐水泥、萘系减水剂制作石膏基试件。其中，硅酸盐水泥可改善试件强度及吸水性^[18]；萘系减水剂可提高石膏浆液的流动性从而延长可塑时间，在方便制作试件的同时有效改善其孔隙结构^[19]。石膏基试件材料配比见表1，其中质量比例指材料与石膏的质量比。

表  1  石膏基试件材料配比

Table  1.  Mix proportions of materials for gypsum-based specimens

名称	石膏	水	萘系减水剂	水泥
质量比例	1	0.4	0.01	0.08

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石膏基试件制作流程如图3所示。首先，将所需制作材料按质量比例称量备用，并配置萘系减水剂水溶液。其次，将石膏、水泥干料搅拌均匀，多次、适量放入萘系减水剂水溶液中。然后，待石膏、水泥混合料被溶液充分浸润，迅速搅拌均匀后倒入模具中，并及时敲打模具边缘，促使石膏基浆液内气泡逸出。最后，浆液初凝24 h后进行脱模处理，并将石膏基试件置于养护室内养护28 d。

图  3  石膏基试件制作流程

Figure  3.  Production process of gypsum-based specimens

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按照上述制作流程，制作了12个直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱体石膏基试件。

2.2   破裂试件制备

地下煤炭资源开采过程中，发生破裂行为的工程煤岩体可采用注浆加固技术以提高其完整性和稳定性。相同的破裂程度是科学开展注浆方案优选、注浆加固效果客观评价的基础前提。因此，可在实验室内使用SAW−2000型微机控制电液伺服岩石三轴压力试验机，通过固定垂直位移的单轴加载方式获得破裂程度相似的试件。

由于所制作的石膏基试件应力−应变曲线变化趋势基本相同，考虑文章篇幅，在此仅提取具有代表性的典型曲线进行展示并分析。石膏基试件应力−应变曲线同样存在压密阶段（OA）、近似线弹性阶段（AB）、裂纹非线性扩展阶段（BC）、峰后阶段（CD），如图4所示。由应力−应变曲线可看出，应力达到峰值后，曲线先迅速跌落，表现出明显的煤岩脆性特征；随着应变持续增加，应力在低水平范围内缓慢降低，表明破裂后的试件仍具有一定的承载能力。综上所述，制作的石膏基试件承载变形行为、力学特性与煤岩试件相似，其可在实验室内用于模拟煤岩试件开展相关试验研究。

图  4  石膏基试件应力特征

Figure  4.  Stress characteristics of gypsum-based specimens

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由图4可知，石膏基试件峰值应力稳定在11.00～11.43 MPa，平均为10.43 MPa；残余应力稳定在2.89～3.41 MPa，平均为3.11 MPa。表明石膏基试件峰值应力及残余应力变化幅度较小。由此可见，制作的石膏基试件一致性较好，离散性较低；在此基础上，通过固定垂直位移的单轴加载方式获得的破裂石膏基试件破坏程度基本相同，可用于后续注浆加固试验。

3.   注浆加固试验

基于构建的注浆试验系统和制备的破裂石膏基试件，设计注浆加固试验流程，在此基础上，开展水泥浆液水灰比优选试验。

3.1   试验流程

注浆加固试验流程如图5所示。首先，组装、检查注浆试验系统，确保管路连接可靠，系统运转正常。其次，将破裂石膏基试件放入多孔塑料容器中。其中，塑料容器大致为圆柱形，其内径与试件直径接近，以达到在注浆过程中维持试件形态稳定的目的；同时，塑料容器的多孔结构能确保注浆浆液与试件充分接触。再次，在橡胶垫片正反两面涂抹高分子液体密封胶，通过螺栓紧固承压容器主体、胶垫和盖板；待密封胶固化后，将承压容器出浆口向上、进浆口向下放置，以便浆液在压力驱动下能够自下而上注满容器。然后，按照试验方案要求配置注浆浆液备用，阀门全部开启、高压注浆机通电，并把浆液倒入进料筒。待上方出浆口流出浆液，及时关闭出浆口阀门。随着浆液的不断注入，承压容器内的压力逐渐升高，压力到达设定值后，及时关闭进浆口阀门并停机。最后，保压一段时间，打开容器，取出已注浆重塑的试件，并清洗阀门、压力表和管路等构件，以备下次试验使用。

图  5  注浆加固试验流程

Figure  5.  Grouting reinforcement experimental process

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3.2   试验方案

水泥浆液凭借绿色环保、低成本、高强度等特点，在井下破裂围岩注浆加固工程中得到广泛应用^[20]。水灰比决定了水泥浆液的流动性和注浆重塑体的强度^[21-22]。因此，以水灰比为试验变量，按照注浆加固试验流程，开展不同水灰比下注浆加固试验，通过对比分析相应的注浆加固效果，确定适用于工程现场的最优水灰比。试验具体方案及参数见表2。试验共分为3组：1−1表示第1组试验的第1块试件；即水泥浆液水灰比为1.50的第1块试件；2−1表示第2组试验的第1块试件，即水泥浆液水灰比为1.25的第1块试件，3−1表示第3组试验的第1块试件，即水泥浆液水灰比为1.00的第1块试件。

表  2  注浆加固试验方案

Table  2.  Grouting reinforcement experimental scheme

试件编号	水灰比	注浆压力/MPa	添加剂用量
1−1−1−4	1.50	0.5	水泥质量的8%
2−1−2−4	1.25
3−1−3−4	1.00

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4.   注浆重塑机理分析

4.1   重塑宏观特征

限于篇幅原因，本文仅对1−2，2−2和3−2试件注浆重塑宏观特征进行展示并分析。借助菲林尺（最小刻度0.1 mm）对裂隙充填情况进行定量分析，不同水灰比下注浆重塑试件表面注填效果如图6所示。可看出水灰比为1.50时，试件注浆重塑宏观效果良好，即使宽度为0.1 mm左右的裂隙也能得到相对较为彻底的充填；水灰比为1.25时，少部分裂隙出现充填困难的问题；水灰比为1.00时，水泥浆液在裂隙中的扩散范围明显减小，大部分裂隙均无法得到有效充填。说明水灰比对注浆重塑试件宏观特征影响明显，随着水灰比的增加，水泥浆液扩散范围更广，注浆重塑试件表面注填效果更好。

图  6  不同水灰比下注浆重塑试件表面注填效果

Figure  6.  The surface filling effect of grouting remodeling specimens under different water-cement ratios

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4.2   重塑力学特性

采用压力试验机开展不同水灰比下注浆重塑试件力学性能测试，结果如图7所示（由于1−3，1−4试件意外损坏，在此不再进行分析）。可看出水灰比为1.50时，重塑试件峰值应力分别为4.97，5.21 MPa，平均为5.09 MPa；水灰比为1.25时，重塑试件峰值应力分别为4.12 ，4.43 ，4.05 ，4.32 MPa，平均为4.23 MPa；水灰比为1.00时，重塑试件峰值应力分别为3.64，3.77，3.82 ，3.92 MPa，平均为3.79 MPa。由此可见，不同水灰比下注浆重塑试件承载能力较破裂石膏基试件的平均残余应力（3.11 MPa）均得到有效提升。

图  7  注浆重塑试件峰值应力

Figure  7.  Peak stress of grouted and remolded specimens

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为了进一步分析水灰比与注浆重塑试件极限承载能力关系特征，根据前文所述数据，绘制峰值应力−水灰比关系曲线，如图8所示。

图  8  注浆重塑试件峰值应力随水灰比变化曲线

Figure  8.  Variation curves of peak stress with water-cement ratio in grouted and reformed specimens

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由图8可知，随着水灰比增加，注浆重塑试件平均峰值应力呈增速逐渐加大的非线性上升趋势，其具体关系可用二次函数表示；相较于水灰比为1.00的重塑试件，水灰比增至1.25和1.50时，平均峰值应力增幅分别为11.61%和34.30%。

4.3   重塑内在机理

在一定范围内，水灰比对水泥浆液注浆重塑试件的注填效果及力学性能影响明显。其内在机理具体表述如下：

1） 高水灰比条件下，水泥浆液黏度减小、流动性能增强，其在裂隙中的扩散性更好。同时，高流动性意味着水泥颗粒沉积、堵塞裂隙通道效应弱化，浆液在裂隙中的扩散范围广、程度高，宏观表现为注浆重塑试件表面注填效果良好。

2） 浆液在裂隙通道中凝固后，可形成网格骨架，将原本破裂的结构重塑为相对完整的整体。高水灰比条件下，由于浆液具有相对良好的流动性、扩散性，骨架效应愈发明显，重塑体更为完整，其力学性能表现为重塑试件极限承载能力的增强。

5.   结论

1） 利用高压注浆机、承压容器、高压防爆管和压力表等装置构建了可在实验室内应用的注浆试验系统，设计了注浆加固试验流程，为“三高一扰动”下破裂工程煤岩体合理注浆方案的确定提供了可行的试验方法和可靠的科学依据。

2） 不同水灰比下注浆重塑试验结果表明，注浆重塑后，试件承载能力得到有效提升；高水灰比条件下，水泥浆液黏度减小、流动性增强，其在裂隙中的扩散范围广、程度高；与水灰比为1.00的重塑试件相比，水灰比增至1.25和1.50时，平均峰值应力增幅分别为11.61%和34.30%。

3） 注浆重塑机理研究结果表明，注浆加固的实质为注浆浆液对裂隙空间的有效注填和骨架效应的形成，在一定条件下，浆液扩散范围越广、程度越高。导致骨架效应愈发明显，进而提高了重塑煤岩体完整性，改善了其力学性能，确保了其在服务期间的安全稳定。