微裂隙中水泥漿液滲濾效應的可視化試驗研究

王 凱，王連國，陸銀龍，孫小康，張凱文

(中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

隨著淺部資源日益短缺，煤礦開采逐漸往深部發展[1-2]。與淺部巷道相比，深井巷道一般具有地應力高、采動影響強烈、巖性軟以及流變性高等特點，使得深井巷道的圍巖變形量大以及變形持續時間長，嚴重威脅了煤礦的安全高效生產[3-5]。注漿作為一種常見的支護手段，能夠改善巖體的物理力學特性，增強巖體的抗破壞能力，也能夠提高巖體的抗滲透能力，起到防水防滲的作用。在深部高應力環境和強采動的共同作用下，巷道圍巖會發生軟化以及裂隙閉合等現象，使得巖體中裂隙開度普遍較小，漿液的可注性能較差[6-7]。

水泥漿液作為常用的無機注漿材料，相比化學漿液來說，具有無污染、結石強度高以及耐久性好等優點[8]。但水泥漿液作為顆粒型無機材料，當使用水泥漿液對裂隙巖體進行注漿時，會有滲濾效應發生，導致水泥顆粒會在裂隙開度變化處發生堆積并逐漸堵塞裂隙通道[9]。因此，針對微裂隙中水泥漿液滲濾效應的研究分析，對于裂隙巖體的可注性和注漿方案設計具有極為重要的意義。

目前已經有多位專家學者針對水泥漿液的滲濾效應進行了試驗研究。DRAGANOVIC[10-11]通過短槽試驗和長槽試驗證明了滲濾的存在，且水泥漿液的滲濾效應受到裂隙開度、水泥粒徑、注漿壓力和水灰比等諸多因素的影響。NEJAD Ghafar[12]通過對比分析滲透計、過濾泵和短槽等試驗手段，研究發現短槽試驗結果更接近真實的注漿滲流特性。AXELSSON[13]通過研制的新型試驗裝置獲得了水泥漿液可以通過孔隙的最大和最小臨界值。ZIED等[14]通過試驗定義了水泥漿液的滲濾系數以表征漿液的基本滲流特性，并給出了試驗參數對該系數的影響。但是，現有的試驗方法多通過注漿壓力和注漿量這兩個因素對注漿漿液的滲濾特性進行研究，無法直接獲取微觀裂隙處的真實滲濾過程。

因此，筆者利用自主研發的微裂隙注漿可視化試驗系統實現對微裂隙中漿液滲濾效應的可視化觀測，并進行不同粒徑大小水泥漿液在不同裂隙開度下的注漿漿液滲濾試驗，研究注漿過程中注漿壓力和累計流量的變化規律以及微觀尺度下的漿液滲濾效應，進而分析不同水泥漿液的滲透特性。

1 試驗裝置

本文研制了一套微裂隙注漿可視化試驗系統，該系統由注漿系統、微裂隙模型以及監測系統3個部分組成，監測系統又分為顯微監測系統和壓力流量監測系統。試驗主要由高壓氣瓶提供高壓氣體，經穩壓閥控制后以穩定壓力推動儲漿罐中的水泥漿液向微裂隙模型中進行注漿。當水泥漿液進入微裂隙模型后，由于微裂隙模型能夠實現裂隙的可視化，所以利用顯微監測系統對模型中裂隙入口處的滲濾效應進行實時觀測。在注漿試驗過程中的注漿壓力以及累計流量通過壓力變送器和數據采集系統進行自動記錄。微裂隙注漿可視化試驗系統如圖1所示。

圖1 微裂隙注漿可視化試驗系統Fig.1 Visual experimental system for micro-fracture grouting

1.1 注漿試驗系統

注漿系統主要由氮氣鋼瓶、穩壓閥、儲漿罐和攪拌電機等部分組成。氮氣鋼瓶為注漿提供氣源，輸出的高壓氣體通過穩壓閥進行壓力控制，使氣體能夠以恒定的壓力進入儲漿罐以驅動漿液流動。在儲漿罐的底部安裝有攪拌電機，通過勻速攪動漿液來保證注漿過程中不會發生水泥漿液沉降和凝固。在恒定壓力的作用下，水泥漿液經橡膠軟管從儲漿罐中進入到微裂隙模型中。

1.2 微裂隙模型

微裂隙模型由上下兩個鋼板經線切割加工后組合而成，模型實物如圖2所示。模型上下兩個鋼板通過兩個高強度螺栓進行緊固，通過在兩塊鋼板平面之間放置超薄精密不銹鋼墊片來進行裂隙開度調節，墊片最小厚度為5 μm。為保證裂隙面足夠光滑，對裂隙面采用高精度磨光技術進行處理，保證上下兩個裂隙面在模型閉合狀態下極小的裂隙開度。整個模型尺寸長390 mm，寬50 mm，高100 mm。

圖2 微裂隙模型實物Fig.2 Physical chart of micro-fissure model

在裂隙入口處設置了進漿口測壓孔測量進口壓力，在裂隙面上設置了出漿口測壓孔測量出口壓力。在出漿口測壓孔右側布置溢漿口，使漿液沿溢漿孔流入到漿液收集桶中。通過在模型的前后兩面布置高透材質的硅膠墊片加鋼化高硼硅防爆玻璃達到可視化和密封效果，接著用“G型夾”將模型與鋼化玻璃夾緊。為了避免“G型夾”產生的應力集中使鋼化玻璃損壞，在“G型夾”和鋼化玻璃板之間加上硅膠墊片和鋼板。利用微裂隙模型，實現了注漿過程中水泥漿液滲濾效應的可視化觀測。模型組裝如圖3所示。

圖3 微裂隙模型組裝Fig.3 Assembly diagram of micro-fissure model

1.3 監測系統

監測系統主要分顯微監測系統和壓力流量監測系統兩個部分。顯微監測系統主要是對試驗過程中裂隙入口處漿液滲濾現象進行微觀監測。主要由長距離顯微鏡、高速攝像機、圖像采集控制系統等部件構成。其中，長距離顯微鏡最小分辨率可達1.1 μm，高速攝像機最大拍攝速度可達到2 000幀/s。通過長距離顯微監測系統觀測的300 μm的微觀圖像如圖4所示。

圖4 300 μm裂隙開度微觀圖像Fig.4 Microscopic chart of 300 μm fracture opening

除長距離顯微監測外，還設有注漿壓力和累計注漿流量監測系統。進出口注漿壓力測量采用型號為MIK-P350的毫秒級高頻壓力變送器進行收集，并將收集到的壓力變化數據通過無紙記錄儀進行記錄。累計注漿流量通過高精度工業電子臺秤實時測量漿液收集桶內的漿液重量監測。

1.4 試驗模型的可行性驗證

為驗證試驗模型的可行性，利用微裂隙模型進行壓水滲流試驗。因為水屬于牛頓流體，牛頓流體在單一平板裂隙中的流動遵循Navier-Stokes(NS)方程和質量守恒方程，假定流體在裂隙中流動滿足層流、不可壓縮等條件，則流體滿足立方定律。

開展當裂隙開度20 μm時的不同滲流壓力下的壓水滲流試驗。根據試驗得到不同壓差下流量數據，如圖5所示，試驗流量隨著壓差的升高而呈線性增加。根據立方定律可知，滿足達西滲流條件的流量與壓差之間呈線性關系，比較試驗數據和立方定律計算所得曲線可以看出，試驗數據與通過立方定律繪制的曲線基本一致，驗證了模型設計的合理性以及可行性。

圖5 裂隙開度為20 μm時注水試驗Fig.5 Water injection test at fracture opening of 20 μm

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

試驗采用的水泥為兩種超細水泥和一種普通硅酸鹽水泥，根據激光測試儀測得3種水泥粒徑分布見表1。其中兩種超細水泥是比表面積分別為800 m2/kg和900 m2/kg的超細水泥Ⅰ和超細水泥Ⅱ，其顆粒直徑D95分別為15和25 μm。普通硅酸鹽水泥選擇比表面積為300 m2/kg的42.5級水泥熟料，其水泥顆粒直徑D95為70 μm。

表1 水泥粒徑分布
Table 1 Cement particle size distribution

水泥類型粒度分布/μmD10D50D90D95超細水泥Ⅰ ≤ 0.783≤ 4≤ 10≤ 15超細水泥Ⅱ≤ 0.310≤ 4.8≤ 18≤ 25普通水泥≤ 2≤ 15≤ 50≤ 70

根據相關文獻研究，純水泥漿液的流動性很差，特別是比表面積較大的超細水泥，水泥顆粒之間容易發生團聚現象，且分散性較差，導致漿液的流動性顯著降低[15-16]。而在加入適量的高效減水劑后會得到較大改善。本試驗中所采用的高效減水劑為萘系高效減水劑，適宜摻量范圍為0.5%～1.0%。

利用ZNN-D6X型數顯旋轉黏度計，在六速、十二速條件下對3種水泥漿液進行流變測試。以水灰比1.0、添加劑0.75%條件下的3種水泥漿液為例，通過擬合得出3種水泥漿液的剪切力-剪切速率的流變曲線如圖6所示。從圖6可以看出，3種水泥漿液的流變性能與賓漢姆流體模型有很好的相關性。超細水泥Ⅰ、超細水泥Ⅱ以及普通水泥的塑性黏度分別為8.5,7.9，7.0 mPa·s。由此可見，隨著水泥顆粒粒徑的增加，比表面積減小，水泥的塑性黏度也隨之減小。

圖6 水泥漿液剪切力-剪切速率曲線Fig.6 Shear force-shear rate curves of cement slurry

2.2 試驗方案

根據注漿施工中常用的注漿壓力和水灰比，利用研制的微裂隙注漿滲濾可視化試驗系統，在注漿壓力2.0 MPa、水灰比1.0的條件下，對不同裂隙開度的微裂隙模型進行注漿試驗。為保證試驗效率，試驗從裂隙開度150 μm左右開始，以一定變化量逐漸增加或減小，直至漿液能夠完全通過裂隙或完全無法進入裂隙為止，具體試驗方案見表2。

表2 注漿試驗方案
Table 2 List of grouting test schemes

水泥類型注漿壓力/MPa水灰比添加劑/%裂隙開度/μm超細水泥Ⅰ2.01.00.7580～320超細水泥Ⅱ2.01.00.75100～320普通水泥2.01.00.75120～320

3 試驗結果與分析

3.1 超細水泥Ⅰ漿液試驗結果分析

按照試驗方案進行超細水泥Ⅰ條件下的漿液滲濾特性試驗，通過試驗獲得了當裂隙開度分別為80,100,140,200,240,280,300 μm時的壓力流量曲線以及滲濾微觀圖像。

圖7(a)和圖8(a)為裂隙開度b=80 μm 時的壓力流量曲線和滲濾微觀圖。從圖8(a)可以看出，當t=1.14 s時漿液開始進入到裂隙中，但很快就在t=1.17 s時于裂隙入口處發生顆粒堆積，并在t=1.94 s時形成半圓拱形的濾餅。從圖7(a)可以看出，進口壓力曲線在快速升高后迅速穩定在一個固定值，結合累計流量變化曲線發現，出口幾乎沒有漿液流出，僅有少量的水透過濾餅從裂隙出口流出，出口累計流量最終僅為21 g，遠小于儲漿罐中漿液儲量。從宏觀圖9(a)可以清晰的看到，在裂隙入口處形成了一個連續完整的半圓拱形濾餅。

圖7 超細水泥Ⅰ注漿壓力及累計流量變化曲線Fig.7 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ultrafine cement Ⅰ

圖8 超細水泥Ⅰ漿液滲濾微觀圖Fig.8 Micrograph of ultrafine cement Ⅰ slumy filtration

圖7(b),8(b)分別為在裂隙開度b=240 μm 時的壓力流量曲線和滲濾微觀圖。其壓力流量曲線特征與裂隙開度b=80 μm時相似，但不同的是，出口累計流量為694 g，明顯大于裂隙開度b=80 μm時的21 g，但累計流量仍小于儲漿罐中漿液儲量。從圖8(b)可以看出，當t=0.68 s時漿液開始進入到裂隙中，當t=1.88 s時在裂隙入口處出現顆粒堆積，并在t=8.54 s時堆積形成半圓拱形的濾餅。從顆粒堆積時間可以發現，隨著裂隙開度的增加，在裂隙入口處發生顆粒堆積的時間也隨之發生延遲。從宏觀圖9(b)中可以看出，在裂隙入口處形成水泥堆積，濾餅形狀呈不規則半圓拱狀。

圖7(c),8(c)分別為在裂隙開度b=280 μm 時的壓力流量曲線和滲濾微觀圖。從曲線變化圖中可以看出，壓力變化曲線與前者有著明顯不同，其進口壓力曲線在經歷迅速增加和相對穩定狀態后，由于儲漿罐中漿液完全通過裂隙，進口壓力曲線逐漸減小到0。結合出口累計流量曲線發現，出口累計流量最終穩定在1 258 g，與儲漿罐中漿液儲量相近，說明水泥漿液完全通過了裂隙，在裂隙入口處沒有發生滲濾。從圖8(c)可以看出，當t=1.80 s時，漿液開始進入到裂隙中，直至試驗結束均未在裂隙入口處發生水泥顆粒堆積。從宏觀圖9(c)可以看出，裂隙入口處最終僅殘留少量的水泥顆粒附著物，而無明顯的濾餅形成。

圖9 超細水泥Ⅰ注漿后宏觀圖Fig.9 Macroscopic picture after ultrafine cement Ⅰ grouting

結合不同裂隙開度下注漿試驗獲得壓力流量曲線以及滲濾微觀圖可知，當裂隙開度b≤80 μm 時，試驗過程中水泥漿液無法進入到裂隙中，出口累積流量遠小于儲漿罐中的漿液儲量;當裂隙開度80 μm

為了定量評估水泥漿液在裂隙中的滲濾特性，定義bmin和bcrit兩個臨界的裂隙開度值[12]。其中，bmin為漿液可注入最小裂隙開度值；bcrit為漿液完全無滲濾的最小裂隙開度值?；谠囼灲Y果可知，超細水泥Ⅰ的bmin和bcrit分別為80,280 μm。進一步定義漿液滲濾趨勢k值[17]，其公式為k=b/D95，故兩個臨界的裂隙開度的k值分別為:kmin=bmin/D95和kcrit=bcrit/D95。超細水泥Ⅰ的D95=15 μm，故kmin=5.3，kcrit=18.6。

3.2 超細水泥Ⅱ漿液試驗結果分析

按照試驗方案進行超細水泥Ⅱ條件下的漿液滲濾特性試驗，通過試驗獲得了當裂隙開度分別為100,120,140,180,240,280,300 μm時的壓力流量曲線以及滲濾微觀圖像。

以裂隙開度180 μm為例，圖10，11分別為其壓力流量曲線和滲濾微觀圖。從圖10可以看出，其壓力流量曲線特征與超細水泥Ⅰ相似，進口壓力曲線同樣經歷壓力迅速增加和相對穩定階段，這也是由于水泥顆粒在裂隙入口處發生滲濾導致堵塞裂隙入口導致。

從圖11可以看出，水泥漿液在t=1.08 s時出現在裂隙入口處，在t=1.56 s時水泥顆粒在裂隙入口處發生堆積，在t=2.40 s時堆積形成半圓柱形濾餅，在t=4.02 s時形成堵塞，在裂隙入口形成半圓拱形濾餅。從宏觀圖12可以看出，注漿結束后濾餅的形狀跟超細水泥Ⅰ的相似，分別為完整半圓拱形濾餅、斷續狀濾餅和僅有零星顆粒附著物。

圖10 裂隙開度180 μm時超細水泥Ⅱ注漿壓力及 累計流量變化曲線Fig.10 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ultrafine cement Ⅱwith the fracture opening of 180 μm

圖11 裂隙開度為180 μm時超細水泥Ⅱ漿液滲濾微觀圖Fig.11 Micrograph of ultrafine cement Ⅱ slurry filtration with the fracture opening of 180 μm

結合不同裂隙開度下注漿試驗獲得壓力流量曲線以及滲濾微觀圖可知，當裂隙開度b≤100 μm 時，試驗過程中水泥漿液無法進入到裂隙中，出口累積流量遠小于儲漿罐中的漿液儲量;當裂隙開度100 μm

基于試驗結果可知，超細水泥Ⅱ的bmin和bcrit分別為100,300 μm。超細水泥Ⅱ的D95為25 μm，故兩個臨界的裂隙開度的k值分別為kmin=4和kcrit=12。跟超細水泥Ⅰ相比，超細水泥Ⅱ的兩個臨界裂隙開度大小bmin和bcrit均有小幅度的增加，其對應的滲濾趨勢kmin和kcrit也相應減小。

3.3 普通水泥漿液試驗結果分析

按照試驗方案進行普通水泥條件下的漿液滲濾特性試驗，通過試驗獲得了當裂隙開度分別為140,180,240,280,310和320 μm時的壓力流量曲線以及滲濾微觀圖像。

以裂隙開度280 μm為例，圖13，14分別為其壓力流量曲線和滲濾微觀圖。從壓力流量曲線圖中可以看出，其曲線特征也與前者相似，注漿入口壓力曲線同樣經歷壓力迅速增加和相對穩定階段，這也是由于水泥顆粒在裂隙入口處發生滲濾導致堵塞裂隙入口導致。從累計流量曲線可以看出，出口累計流量為1 056 g，相對儲漿罐的儲量而言仍有一定差距，說明漿液并未完全通過裂隙。

圖13 裂隙開度280 μm時普通水泥注漿壓力及累計 流量變化曲線Fig.13 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ordinary cement with the fracture opening of 280 μm

圖14 裂隙開度為280 μm時普通水泥漿液滲濾微觀圖Fig.14 Micrograph of ordinary cement slurry filtration with the fracture opening of 280 μm

從圖14可以看出，水泥漿液在t=2.82 s時漿液開始進入到裂隙中，在t=2.84 s時水泥顆粒在裂隙入口的壁面上形成堆積并逐漸擴大，當t=3.92 s時形成堵塞，在裂隙入口形成半圓拱形濾餅。從注漿后宏觀圖15(b)中可以看出，濾餅也呈斷續狀。

圖15 普通水泥注漿后宏觀圖Fig.15 Macroscopic picture after ordinary cement grouting

結合不同裂隙開度下注漿試驗獲得壓力流量曲線以及滲濾微觀圖可知，當裂隙開度b≤140 μm 時，試驗過程中水泥漿液無法進入到裂隙中，出口累積流量遠小于儲漿罐中的漿液儲量;當裂隙開度140 μm

將超細水泥Ⅰ、超細水泥Ⅱ和普通水泥3種水泥的試驗結果進行總結得到表3。

表3 試驗結果
Table 3 List of test results

水泥類型bmin/μmbcrit/μmkminkcrit超細水泥Ⅰ802805.318.60超細水泥Ⅱ1003004.012.00普通水泥1403102.04.42

從試驗結果可以看出，隨著水泥顆粒粒徑的減小，水泥漿液的最小可注入裂隙開度bmin從普通水泥的140 μm減小到了超細水泥Ⅰ的80 μm，有著較明顯的減小，說明減小水泥粒徑對于微裂隙中漿液的注入是有幫助的。但水泥漿液完全無滲濾的最小裂隙開度bcrit僅從普通水泥的310 μm減小到超細水泥Ⅰ的280 μm，并沒有較明顯的減小，特別是普通水泥與超細水泥Ⅱ這兩種水泥之間的最小無滲濾裂隙開度bcrit僅相差10 μm。

結合漿液滲濾趨勢k，從試驗結果可以看出，隨著水泥顆粒粒徑的減小，3種水泥的kmin變化幅度不大，從普通水泥的2.0增加到超細水泥Ⅰ的5.3，僅有小幅度增加。但是3種水泥的kcrit變化幅度很大，從普通水泥的4.42增加到超細水泥Ⅰ的18.60。說明隨著水泥顆粒粒徑的減小，水泥漿液更容易在裂隙入口處發生滲濾，這是因為超細水泥比表面積更大，水泥顆粒間易發生團聚造成。

4 結 論

(1)研制了一套微裂隙注漿滲濾可視化試驗系統，主要由注漿系統、微裂隙模型以及監測系統組成。通過這套試驗系統能夠實現對注漿過程中不同裂隙開度下的漿液滲濾行為進行觀測記錄，為研究漿液滲濾提供了可視化試驗方法。

(2)通過滲濾微觀圖發現，3種水泥漿液在無滲濾發生時，在裂隙入口處無漿液顆粒堆積;但在有滲濾發生時，在裂隙入口處會發生漿液顆粒堆積并逐漸形成一個半圓拱形濾餅。通過宏觀觀測圖中發現，當裂隙開度較小時，在裂隙入口處形成完整的半圓拱形濾餅;隨著裂隙開度的增加，在裂隙入口處形成斷續分布狀濾餅;當裂隙開度增加到無滲濾發生時，裂隙入口處僅殘留少量水泥顆粒附著物。

(3)通過試驗獲得了3種水泥的最小可注入裂隙開度大小bmin和最小無滲濾裂隙開度大小bcrit。研究結果發現，水泥粒徑的減小對最小可注入裂隙開度大小的影響較大，但對最小無滲濾裂隙開度大小的影響較小。

(4)結合漿液滲濾趨勢k，隨著水泥顆粒粒徑的減小，水泥漿液更容易在裂隙入口處發生滲濾，這是因為超細水泥比表面積更大，水泥顆粒間易發生團聚造成的。