水泥注浆加固对工程岩体的作用与影响.pdf

第2 9 裙第5 期 2 0 0 0 年9 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i ．yo fM i n i n g ＆T e c h a o | o g y v 0 1 ．2 9N o ．5 S e p 2 0 0 0 文章编号；1 0 0 0 * 1 9 6 4 2 0 0 0 0 5 0 4 5 4 0 5 水泥注浆加固对工程岩体的作用与影响 剃长武，陆壬良 中爨矿业大学采矿王程臻，扛苏豫髑2 2 1 0 0 8 摘甏娄验室．潞l 试分稀和现场工韭穗试验研究结果表明，水泥注采加固不但改变了岩石的微缭 搀、微孔隙和岩石的物履l 或戒镑，使岩石静宏观；L 隙度跨低，致密程度和轵械强震增加；霸豆， 浆波在岩体结构面中凝结詹对结构面进行充填加固，提高了结构面的粘绻力和内摩擦角，增强了 工程岩体抵抗外力破坏的能力． 关键词水泥注浆；工程岩体；檄结构；微孔隙；结构面 中嬲分类号T D3 2文皴标识码A 2 0 讴纪6 0 年代黻来，随着注浆材料、注浆工 艺秘注浆设餐的飞速发疑，注浆热雷技本应用静工 程范围越来越广，几乎涉及矿山建设、隧道桥梁、水 力水电等所有岩土工程和土木工程领域。特别是在 煤旋系统，近年来人们和用注浆加固技术已成功地 艇决了诲多受采魂影穗约器道、软岩巷遘等的维护 难嬲． 按注浆材料不同，可以把注浆分为有机注浆和 无视注浆两大类，前者指他学注浆．而后者主要指 承溅注浆。掇然纯学浆榜共有粘度低、注挂努， 能注人到岩石细微孔嗽中等许多优点，但一般的化 学浆材都有一定毒性，容易对环境造成污染。且化 学浆材价格辩贵．因此，在矿山巷道加固、并筒注浆 跨渗等嚣大规模浚浆的各类岩士工程中，耪辫来潦 丰富、浆渡配制方便、遗玲低廉、结匿体强度较裹的 水溅类浆材仍是用户酋选的主要注浆材料之一． 工稷岩体注浆加踊过程中，由于被加固对象的 体获穰稳固德往较大，包含各种岩往豹者涣和各种 结{ 姆霪特征的节理、裂隙，已羼于崧体螅范畴．固 此，注浆加固对工程岩体的影响也就体现在注浆对 岩石 岩抉 及岩俸 岩体中的结构面 的影响两个 方鬣嘲． 失了深入分援水泥注浆翅豳对鞋石鞠岩体性 质以及对巷道维护的影响，结合邢台矿业集团葛泉 煤矿一1 8 0 ．一1 9 0 太巷软岩锚注加固的生产实践， 和S t9 3 1 0 徽藐结构分析佼、扫描电子显微镜等设 备和手段，从微观和宏观耐方面人手，对水泥注浆 热嚣鹊作用撬割进行了分辑． 1注浆加溺对磐石微缩构苟徽孑L 豫的彰晌 煤矿井下施工所采用的注浆压力目前太都低 予1 0M P a 一簸2 ～4M P a ，小于岩石的劈疆强 度，这神情况下，受于波浆惩力造不成劈裂灌浆的 效果，因此，注浆以渗透灌浆为主．浆液在注浆压力 的作用下灌入岩石原有的孔隙和缝隙之中，对岩石 的缝练、巍踩进行宠填．显然，在箕它因素相两的情 况下，岩石被灌注兖填的效果固浆渡中物质颞粒的 大小紧密相关．颗粒越细，熊够注入的岩石孔隙就 越小，岩石注浆的效果就越好；反之，颗粒越大，能 够注A 静岩石孔藩也稻应增大，岩石的连浆效果就 越豢， 图1 是端泉煤矿一1 8 0 ，一1 9 0 大巷内石炭二 迭系太原组煤系地层的泥岩和粘土质胶结粉砂岩 注浆黯霹前意扫播电子显镦镜下的徽结构对强匿． 从图中我识可以嚣出；浆渡渗入蚩曩孔黢凝结后， 对岩石孔隙进行充填加固，改变了岩石原来的孔隙 结构，并屈由于4 2 5 。普通硅酸被水泥浆液具有一 定酌粒度，永泥浆液廷髓注入较大静孔豫之中，而 对，』、我校魏黢足乎不产生螺用与影响，因甄降低了 岩石孔隙中大孔径孔隙所占的比例，如表1 和图2 所示． 啦稿日期3 0 0 0 0 3 1 5 榫者燕赍M 筏武c t g s 3 一 ，男，爨蓖豫省太痰毒A ，串簿矿盈失学舔教授，工学博士，获事开幕盈者石力学研究- 万方数据 蕊勰 鲎豳 T a h le 1R t _ L I H I n M I t ⋯⋯～I _ I l a u J I _ ，*川L 日L 槲 ⋯Ⅷ “。 ⋯⋯‘。J “r n l g 、n 。。日 B ㈣ 0 - 1 o 日1u ∞【2 j 【1 { ㈣y 1 1 1 1 _ ， { 2 zdu E ⋯ ’1 Ⅲ，5J z ⋯y H 、4 o ㈣ 2 In_‘u ou【25 6 1 1 } 惭㈨』I { } * 十日* * ，l 揪㈣ 自Ⅷ ■n * ”i j 蒜蒸；黧黧船” p K ％} I 日 2 桃荆 “ I 目目0 Ⅱu 目Ⅲ * * №∽目” i m n m ，* ⋯B n ＆n m ∞* m 日B 自g ] E 自Ⅻ* 口_ 】” “ * 口．} i ∞n 唠l M W n m 自m { ，Ⅲm ’J n ⋯’l7 I H Ⅻ 【J _ _ ⋯{ ⋯，z ，m 亍Lm ＆F №T ”2 x l M ＆ * R “m “目■№女Ⅲ口Ⅲ＆十r o ㈨【⋯n Ⅻn2 ∞] m 。m m n ％＆r ” rc 一“Ⅳ．目n №十★于_ n 亍u ％m ∞№Ⅷ* mF №■镕Ⅲr ，M 镕 Ⅱ* mr 6 * * ”～m ≮∞％女 2 注浆加固对岩石组成成份的影响 m * 4 Ⅲ目％“H d m 镕№々m 彳u 睹{ P } * ％目“ ．“ m n ”* * №5 日十∞* ≈ 自目№m ∞m “m { Ⅱ＆“ m 目r ￡ ．m n ∞ ＆m ∞口H m ∞日勺m Ⅷ* ＆n 女t R * 镕自 * 6 日可女m ％ⅫJ 】{ H 日 目3g * i ＆∞目∞x ” * ”目* W I L 目Ⅲa 目* “ * 自* m * * ≈f 口* Ⅻ．№g 十R H t 十H * ∞口∞＆m “ 十z * 目∞T 目＆ * i 目 日自 ∞ 镕i m 世} ⅡR * i * r ∞自i ∞自* M ＆№* m * ＆ W 日∞镕 * 月镕％．m * 目* № ＆ * ■5 ∞“T 目 * 自自* 目＆％m ％自目 万方数据 串蓬矿韭夫学学报第2 9 卷 I a 衍射舟I2 a 】A 。 ／c ‘33 qJ I 荟 C 42 5 9 1 ％ 量 。心l 暑 i 走 。 ． 走- 友 o √培一 誉誊1 基善喜 雾 吾喜l 堇 旨，t 若i 、一．蔗．h 爿L ￡ ．．J L ．一L 丸 b 1 错射角 2 l “ 图3 岩石注浆前后的x 一射线衍射图谱 F i g ．3 R o c kX r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r u m A ．高岭并；B ．伊／蒙溅层；C ．石英I D ．钾长石l E ．方解石i1 ．泥岩I ．砂岩，1 ．注装艇1 2 ，洼装麝 内部的化学凝结硬化过程，其次是岩石与浆液接触 面之问晌离子交换过程． 常弼熬磬遥硅酸盐永泥主要南氧亿钙、氧仡 硅、氧化铝及氧化铁等4 勋氧饯物缀或，这4 静氧 化物总量占水泥熟料的9 5 ％以上．其矿物缀成大 致为硅酸三钙占3 7 ．5 ％～6 0 蛎，硅酸二钙占1 5 ％ ～3 7 。s ％，锚酸兰钙蠢7 鞴～1 5 ％，锾链酸西钙占 l o ％～1 8 ％．此外，还彝玻璃搏 A I 0 。和 式 3 等 及少许杂质． 水泥加水调成灰浆注入岩蹙后．首先是水泥颗 粒静表舔和水发生下述反藏 3 a O S i 0 2 n H 3 0 2 C a O s i k ‘8 1 H 十C a O H 2 ， 2 C a O S i 0 2 十m H 2 0 一2 C a O S i 0 2 ⅢH 2 0 ， 3 C a O A 1 2 0 3 十6 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 3 6 H 2 0 。 4 c 曲A l 如s ＆p 7 H 2 0 3 C a O A 1 2 0 ，6 H 2 0 C a O F e 2 0 3 H 2 0 ． 其次是水泥自身硬化．C a H 。从水泥糊状 街帮C a O H 。饱和溶液中莹菲晶俸物质析出，包 固水泥颞粒露结残一块．第三燕结晶，郄C a O H 。 粒子合并起来，变成针状结晶，伸入列硅酸钙的非 晶体内 见图1 中的b ，d ，它们紧绪在一起，增加 了水泥的机械强度．水溅硬化后生成的游离 c 袅 H 。强溶于承，并鞫空气帮涛A 承中瓣C O 捧 这层表颤结照方辫石的形成。对于改善续石体的强 度及岩石的水理性质起到了至燕重臻的作用．． 研究表胡“司由于岩石与浆液接触面上的粘 鬏越慰c 蘸 爨右皲辫佟用．糖鬏粒对c a ， C a ”，O H 一的吸收量越大，结石体孔涨水中棚应约 离子含爨浓魔就越低。水泥水化物C a H 。的饱 和程度就越低，结石体的强度就越低． 岩石表掰结菇方解石韵形成，戮丘了C a O H 。 的继续滚鳃，稳建了结孬强黢拳中c a ，C a ”， O H 一的含量，从而增加了结石体的强度，嶷接改善 了没浆加固岩石的物理力学性质． 3 注浆加阐对者材宏观物理力学性质、岩 体及巷遴维护的影晌 3 。{ 对崭石宏j 蹙籀建矗擎性蒺的影精 在注浆加固对岩微续槐、微孔羰及物震键残 成份等备方面影响的共同作用下，岩石的宏观物理 力学性质和水理性质都产生了很大的变化，表2 是 所测两种岩石注浆加戳前衙主簧物理力学参数的 变化壤酲。从裘2 瓤见；注浆拯黧降糕了卷五瓣宏 观孔隙度，增加了澍石的致褪程度，从两改善了岩 石的宏观力学性质．特别熙岩石注浆后软化系数 的显著降低，对于煤矿辩下软岩巷道的矿隘显现及 用生成一层方鳃石结晶硬壳．隧麓在崔石表露∽“．其控魁具在非豢重要鹁意义 裹2 岩石主要柳理力学参数平均德的变化 T a b l e2V a r i a t i o n 诹m a i np h y s i c a l - m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k m } 自然岩样 2 5 25 11 3 72 - 3 3 2 6o 2 62 0 9o - 8 1 0 “。 注浆岩样 2 ．5 24 ．5 120，669一 吉d。制辑每鼯 ∞争避睡每牲 万方数据 3z ＆ m 目≈* m * ∞* l 向 * r T Ⅲ■ ； Ⅲr 月r * m 】i 一自 J ￡镕目Ⅲ “＆t T * 十* ％月 { № m “＆m “ n * 月T * ＆* 々＆H ．畦* * t 目n ※Ⅻl d ∞f l _ 目 { n R A m m m * T } “ Ⅻm { n m Ⅱ m n “※J _ 【l _ 目＆* J ’ ∞* № ⅢⅡ* q - 目m ∞* ⅢJ 』{ “m H H j * d ∞Ⅲm n 目『n I i 几_ f ＆镕{ f A “ 目i * m 日．H №Ⅸ* 目“* 目Ⅲm “ t m ， m ％r ≈镕“＆ ∞Ⅲ十R 十∞m m Ⅻ{ ’t * H 自Ⅷ⋯∞m * ⅡE * M m ＆r * * 十* ∞“ ∞№Ⅲ* { n J ’”n ∞ 4 “ № H * №＆w “t H 口 月 ＆∞ * * m * m * * Rr 镕自m ∞ 日J 』Ⅻm * 自t 3 n Ⅲm J ’* ∞n 女№n m n H q 、∞№ i 3 * i ● d t ‰* h b jM ％⋯⋯1r o 目u 】hn r ，t r u 。tur v f - L ⋯⋯L t c r H ㈩mH mJ ．jJ ’～㈨ 一嚣揣 竺，i i 銎兰 * f ￡ m 刀目 T ∞』“* ；m t Ⅱ m n { Ⅲ自J 』4 d≈* Ⅲn W 镕十∞％Ⅻm f ≈∞l 目{ m n I ⅢR E ∞K I 户t I | * Ⅲ 女l mJ “阱【* 镕m * m ≈ ≠∞m n f “ 月L - c ，k 目w ，㈨∞镕f 镕n 日B №* ％m 镕 MF ∞ * q f 0 * W t 口口 √1f， F o 】 】R ． A - “。H ⋯～m m m | _ Ⅲn - ，自镕口 ∞№* - n 自m ⋯n n * I * { } * } I 】f “日。} ．m Ⅱ* ㈨■’1 m 日 * 1 J Ⅻ～ 镕自∞| 曾 镕自m 镕* } ‰，ⅧⅢ镕 * ⅢI m H * ∞n E “n t №～k m U m E ⅢT E ] R ‰t ∞1 M 自J * m * ∥P1 一 * m 目。”∞m ⅫR m “日g ∞自 ⋯L Jc 】c n m frJ ．％ * h 目』m n n * ㈨～＆m ～_ _ Ⅻ‘Ⅷm m4 m Ⅶ ～- n 、{ ，m Ⅱ镕”Rym ．* n 、n ∞l U m m Ⅸn * 7 ⅧH ‰“t * Ⅷ- r 自4 n * * * n ，“k F “々* H } 。m ＆Ⅻ* fr } t Ⅲ4 【”、r 目m n Ⅷ m 自，∞≈m n m * t H 圳M g ￡ * * №∞F ．* m H m h 、R 0 nM №Ⅲ* * m J ’7 口l 』№，j m ＆镕 T Ⅻ” k ％m 』． * ∞自n HI 自m m ⅦW * n R 目∞n ＆* q * n ∞“＆M m 隧菇互 № * ≈％n ≈* ％＆Ⅻ自n * J J ∞m 自m 日* ∞ p n M * 日r { 硅* ∞* Mm I a 目∞目H ＆＆ m ∞ m * 自”■目 目月* ‰i ＆I ∞m ％＆H №R m c Ⅻ镕T ； 4 结论 1 1m ％* № } 日 H m n R 十m Ⅱ J ’“ “∞m 目 ． 十J } “∞n R * } l _ 盯L №女 m m ．* T 于u ％十 n ＆n R M ∞L E Ⅷ* 7 l ∞自m n 目A 镕m ．＆口R 自H mH H T “ * n ” * * 目№n 2 1m d E №目 。| J ∞ 』％m m m Ⅸn m } Ⅱ自目m mr t №＆Ⅲr 6 ∞ m m ＆＆ m * M d * 镕* Ⅲ目 6 m 目8 镕i ∞ 口№ 自Ⅷm T 日m * 镕n ∞n №m * 万方数据 4 S 8中豳矿业大学学报筹2 9 卷 一方面改善了岩石的水理性质． 3 浆渡在襄体缕掏殛中凝结履，对结构露进 行充填加固，排除了原先存在于结掬囊空黢中的本 傍秘空气，改变了岩体中答秘物甥抟比例关系，傻 破碎岩蠢羹薪获结蔽整体。最终提高了者体的完整 性和抵抗外力破坏的能力． 参考文献 [ 1 ] 刘长武．碎胀软岩巷道全断萌锚注加固机瑚与应用研 究C D ] ．徐州中国矿业大学鬻矿工程系，1 9 9 8 ． [ 2 ] S k a l n yJ ．波特兰水溅水化的机蠼[ A ] ，第七届因踩水 泥化学会议论文选集[ c ] ．北京中国建筑工业出版 [ 3 ] [ 4 ] [ s ] [ 6 3 [ 7 ] 社，1 9 8 5 ．7 5 1 2 4 ． 饶东生．旗酸盐物理化学[ M ] ．北京s 壤垒工业出版 社。1 9 8 3 ．2 0 一8 6 ． 葛窳良．软岩棼道注浆加固执理及没浆技术善于同避 鹩研究￡D 3 ．豫州；孛辍矿韭大学采矿工程幕，1 9 9 5 ， D i m o n ds IM e c h a n i s mo fs 硝l l i m es t a b i l i z a t i o n 口3 ． P u b l i cR o a d s ，1 9 8 6 ，3 3 1 2 } 6 6 - 1 0 8 尹双增．聚裂、攫携璎论投应用￡M 3 ．热寨涛华大学 出数社 1 9 9 2 ．3 1 7 - 3 t 8 ． 刘长武，赡嶷。锩洼翔瓣对岩体完整{ 生及准嚣体强 度抟影镌秘] ，串爨矿韭大学学攘，1 9 9 9 。2 8 3 2 2 1 2 2 4 ． R e i n f o r c e m e n tE f f e c t o fC e m e n tG r o u t i n go nE n g i n e e r i n gR o c kM a s s L I U C h a n g W L I ，I ．US h i l i a n g D e p a r t m e n to fM i n i n gE n g i n e e r i n g tC U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e s u l t so fl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t sa n df i e l di n d u s t r i a lt e s t ss h o wt h a tc e m e n tg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tn o to n l yc h a n g e st h em i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o p o r o s i t ya n dc o m p o s i t i o no fr o c k ，m a k i n gi t sm a c r o g r a 一 面Yp o r o s i t yd e c r e a s ea n dc o m p a c t n e s sa n dm e c h a n i c a ls t r e n g t hi n c r e a s e b u ta l s of i l l st h es t r u c t u r es u r f a c eo f e n g i n e e r i n gr o c km a s sa f t e rg r o u t i n g ，l e a d i n gt ot h es t r u c t u r es u r f a c e ’sa d h e s i o na n d f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n tt o e n h a n c e ．T h el a s tr e s u ho ft h o s ee f f e c t si st h ee n g i n e e r i n gr o c km s sa b i l i t yo fr e s i s t a n c et of o r c ed a m a g eb i n c r e a s e d l e 辅n 1 ．d s ．c e f n e n lg r o u t i n g ；e n g i n e e r i n gr o c km a s s ；玎c r o s t r o c t u r e ；m i c r o p o r o s i t y ；s t r u c t u r es u r f a c e 万方数据