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摘要：为满足破碎岩体及不同损伤程度岩体的室内模拟注浆加固要求，研发了一种新型的注浆加固试验系统。该系统主要由液压泵送装置、储浆罐、注浆加固试验装置，加压泵、浆液储存缸和真空泵五部分组成，注浆加固系统针对试验所需标准岩石试样尺寸⌀50×H100mm制作。该系统可以自行控制注浆压力及围压的大小，满足不同压力条件下的注浆要求，同时该系统可以实现“注－抽”相结合的新型注浆工艺，提高注浆效率。该注浆加固系统的研制解决了目前裂隙岩体注浆加固困难或注浆效果不理想的问题，具有密封性好、操作简单、适用范围广等优点。
关键词：围岩控制；注浆加固；裂隙岩体；电镜扫描
目前，我国浅部煤炭资源已经枯竭，煤炭开采趋向深部。随着开采深度的增加，地质条件更加复杂，在开采过程中常遇到不良的地质体，岩体初始地应力状态在工程扰动下极易发生改变，导致岩体内部裂隙极易出现扩展并相互贯通，进而造成工程岩体失稳［1－3］，严重威胁工程建设的安全，加之地下高压水的影响，裂隙开度容易扩张变大，最终引发透水及淹井事故的发生。工程中一般采用注浆的方法对岩体进行加固治理［4－6］，注浆加固室内模拟试验是研究岩体注浆加固的有效方法，具有其独特的优越性［7－10］。
1注浆加固试验装置研究现状
杨米加［11－13］通过自行设计的试验平台，开展了单裂隙和裂隙网络模拟注浆试验，研究了在不同的注浆压力和水灰比对浆液渗流规律影响；王汉鹏、牛学良等［14，15］研制了耐高压活塞式注浆试验仪，可以实现高压条件下的岩石注浆加固；李仕杰等［16］研究了一套破坏岩体注浆系统，通过高压将化学浆液压如裂隙中，取得了一定的试验成果，但不适用于传统的水泥浆液注浆；张家齐等［17］研究了一种新型综合注浆加固试验系统，并在内部布设传感器，满足了注浆加固过程的力学分析；李召峰等［18，19］研制了一套富水破碎灰岩的注浆加固试验装置，并对注浆加固效果的影响因素进行了研究，取得了一定成效。现有的注浆设备研究大都建立在单一裂隙和牛顿流体稳定渗流的基础上进行加工制造，很难反映真实的地下注浆过程，且注浆试验装置主要是针对完全破碎岩体或碎石进行的注浆加固试验，难以实现对于岩体内微小裂隙的注浆加固试验研究。
2新型注浆加固系统的研制
2.1主要的设计目的
为了解决注浆理论与实际工程中存在的问题，实现对微裂隙岩体的注浆加固模拟研究，直观、便利、科学的解决实际注浆工程中的困难，为地下复杂岩体注浆工程提供理论依据和技术支撑，防止仅凭经验性施工而带来的高额成本，从而达到更好的经济效益。
2.2主要的系统组成
1）液压泵送装置：采用手动／电动注浆加压装置，在配套的储浆罐内注入浆液，通过手动／电动加压装置加至所需压力。
2）浆液输送设备：浆液输送设备主要包括高压注浆管，连接处为⌀12mm钢管，焊接在储浆罐顶端。
3）注浆加固试验装置：注浆加固试验装置为该套系统的核心组成部分，是集装载试样，密封，围压加载于一体的模拟注浆装置。其结构如图1所示。注浆加固试验装置底板承压台尺寸为⌀250mm×H20mm；底板承压台下端设置四根⌀20mm×H100mm的支柱；在底板承压台底端设置注浆口，注浆口口径为⌀12mm，可外接管路，在注浆口安置阀门开关图1注浆加固试验装置和压力表，控制浆液的进出；在底板承压台内部开外径136mm、内径126mm的凹槽，凹槽内部设有密封圈，用以放置透明耐压罩；下端压头管口与注浆孔相连接，压头上端尺寸为⌀50mm，下端尺寸为⌀72mm，在距离压头上端5mm处开凹槽，放置密封圈；上端压头与下端压头对称设计；压头上端放置⌀50mm×H5mm的导流片，用以分流浆液，试浆液在底端分布均匀；底板承压台与顶板承压台通过四根⌀20mm×H350mm的圆柱连接，在圆柱上设有螺纹，便于调节顶板承压台的高度和紧固顶板承压台；在上下压头之间放置岩样，岩样外侧由耐高压密封套包裹，并在密封套上下端各设置一个不锈钢卡箍圈，用于密封岩样；外侧设有⌀136mm×300mm的耐高压罩，放置在底板承压台凹槽内，同时放置顶板承压台，并用螺丝紧固，形成封闭的围压室；顶板承压台上端设置有围压压力表、注水口、卸压阀门和排浆／抽浆口，其中排浆／抽浆口处设置有阀门控制开关和压力表。
4）围压加载装置：围压加载装置采用自动加压水泵（可提供最大压力为6MPa），试样装载完成后安装透明耐压罩（能承受4MPa的径向压力），通过注水口加满水后，由加压水泵提供试验所需围压值。5）抽浆装置：抽浆装置主要由真空泵和浆液储存罐组成，用耐高压软管将注浆加固装置与抽浆装置连接。
2.3注浆加固试验系统的装配连接及使用方法
该注浆加固系统的装配连接方式为液压泵送装置通过液压油管与储浆罐相连接，储浆罐通过耐高压注浆软管与注浆加固试验装置的底端注浆口相连接，注浆加固试验装置的顶端抽浆口通过耐压软管与外部浆液储存罐的一端接口相连接，同时浆液储存罐的另一端接口与抽真空泵通过耐压软管相连接；注浆加固试验装置的顶端注水口通过耐压软管与加压水泵相连接，形成一套完整的注浆加固试验系统如图2所示。使用方法：将通过单轴或三轴破坏的试件放入到注浆加固试验装置的底端压头上，在试件的底端和顶端各放一个导流片，套上耐压橡胶套，并将顶端压头放置在顶端导流片上，使其与岩样完全接触，用不锈钢卡箍圈紧固橡胶套，保证试件在内部完全密封，将透明耐压罩放置在试验装置的卡槽内，然后用紧固螺丝将顶板承压台紧固。通过调节液压泵送装置的开关，将储浆罐内活塞退至储浆罐尾端。将装置连接好后进行密封性测试，在储浆罐内注满水，打开注浆口和排浆口阀门，采用自动加压泵将压力设置为0.3MPa，待排浆口有水稳定排出后，关闭注浆口和排浆口阀门，静置30min，观察注浆口和出浆口压力表数值无明显变化，说明密封性良好，否则重新进行上述过程，确定密封完好后将水排出后进行注浆试验。在注浆加固试验装置的注水口注满水后连接加压水泵，在抽浆口处连接浆液储存罐和真空泵，将配置好的浆液倒入储浆罐中，并打开相关的连通阀门，调节加压水泵压力，使其达到试验设计围压值，手动调节液压泵送装置压力，同时启动抽真空泵，待浆液储存罐有大量浆液进入，停止注浆，并关闭阀门，待浆液与试件凝结后，得到注浆加固后试样。
3裂隙岩体注浆加固试验
通过上述裂隙岩体室内模拟注浆加固系统开展了注浆加固试验研究，从而验证该注浆加固系统的可行性。
3.1试验岩样及制备
试验所使用的岩样为云南红砂岩，岩石呈红褐色，岩石试件尺寸为⌀50mm×H100mm，图3为红砂岩岩样薄片电镜扫描图像，显微结构描述为细粒砂状结构，块状构造，孔隙式胶结。红砂岩岩样的主要矿物含量见表1。含裂隙岩体试件的制备是在过山东科技大学RockTop多场耦合试验仪上完成，该注浆试验所用的含裂隙试件是在围压为30MPa时破坏形成的。
3.2裂隙岩体注浆加固
将制备好的含有裂隙的试件放置在注浆加固试验装置上，按照该注浆加固系统的使用方法进行试验，用“C”型抱箍将试件与压头位置调节适中，试验对注浆浆液的性能有一定要求，注浆浆液需能渗入渗透系数为10－5～10－4cm／s的砂岩中，一般采用化学浆液或平均粒径为3～6μm的超细水泥浆液，本次注浆加固试验采用自行研制的改性超细水泥浆液。所有准备工作就绪后，展开注浆试验。试验结束后，将密封套中的试件放进养护箱进行养护，养护3d后，取下密封套，得到如图3所示的注浆完成后的试样，从图3中可以看出，浆液填充进了岩体中的裂隙。为了进一步分析该系统的注浆加固效果，取试样内部边长为1cm且包含胶结面的薄片进行电镜扫描，扫描结果如图4所示，虚线上方为水泥浆液，虚线下方为红砂岩岩块，经分析，浆液与红砂岩岩块胶结良好。说明该套注浆加固系统科学合理。
4结语
新型裂隙岩体室内模拟注浆加固系统解决了目前室内注浆加固模拟试验面临的很多问题，该套系统加入了围压加载装置，密封性更加良好，可以实现对于岩体内部微小裂隙的注浆加固模拟实验，同时该套系统应用的“注—抽”结合的注浆方式，大大的提高了注浆效率。该注浆加固系统结构合理，操作方便，可行性强，为室内模拟注浆试验研究带来很多便利。
作者：张培森 李腾辉 赵成业 侯季群 单位：山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地 矿业工程国家级实验教学示范中心