随着浅部资源日益短缺，煤矿开采逐渐往深部发展[1-2]。与浅部巷道相比，深井巷道一般具有地应力高、采动影响强烈、岩性软以及流变性高等特点，使得深井巷道的围岩变形量大以及变形持续时间长，严重威胁了煤矿的安全高效生产[3-5]。注浆作为一种常见的支护手段，能够改善岩体的物理力学特性，增强岩体的抗破坏能力，也能够提高岩体的抗渗透能力，起到防水防渗的作用。在深部高应力环境和强采动的共同作用下，巷道围岩会发生软化以及裂隙闭合等现象，使得岩体中裂隙开度普遍较小，浆液的可注性能较差[6-7]。
水泥浆液作为常用的无机注浆材料，相比化学浆液来说，具有无污染、结石强度高以及耐久性好等优点[8]。但水泥浆液作为颗粒型无机材料，当使用水泥浆液对裂隙岩体进行注浆时，会有渗滤效应发生，导致水泥颗粒会在裂隙开度变化处发生堆积并逐渐堵塞裂隙通道[9]。因此，针对微裂隙中水泥浆液渗滤效应的研究分析，对于裂隙岩体的可注性和注浆方案设计具有极为重要的意义。
目前已经有多位专家学者针对水泥浆液的渗滤效应进行了试验研究。DRAGANOVIC[10-11]通过短槽试验和长槽试验证明了渗滤的存在，且水泥浆液的渗滤效应受到裂隙开度、水泥粒径、注浆压力和水灰比等诸多因素的影响。NEJAD Ghafar[12]通过对比分析渗透计、过滤泵和短槽等试验手段，研究发现短槽试验结果更接近真实的注浆渗流特性。AXELSSON[13]通过研制的新型试验装置获得了水泥浆液可以通过孔隙的最大和最小临界值。ZIED等[14]通过试验定义了水泥浆液的渗滤系数以表征浆液的基本渗流特性，并给出了试验参数对该系数的影响。但是，现有的试验方法多通过注浆压力和注浆量这两个因素对注浆浆液的渗滤特性进行研究，无法直接获取微观裂隙处的真实渗滤过程。
因此，笔者利用自主研发的微裂隙注浆可视化试验系统实现对微裂隙中浆液渗滤效应的可视化观测，并进行不同粒径大小水泥浆液在不同裂隙开度下的注浆浆液渗滤试验，研究注浆过程中注浆压力和累计流量的变化规律以及微观尺度下的浆液渗滤效应，进而分析不同水泥浆液的渗透特性。
1 试验装置
本文研制了一套微裂隙注浆可视化试验系统，该系统由注浆系统、微裂隙模型以及监测系统3个部分组成，监测系统又分为显微监测系统和压力流量监测系统。试验主要由高压气瓶提供高压气体，经稳压阀控制后以稳定压力推动储浆罐中的水泥浆液向微裂隙模型中进行注浆。当水泥浆液进入微裂隙模型后，由于微裂隙模型能够实现裂隙的可视化，所以利用显微监测系统对模型中裂隙入口处的渗滤效应进行实时观测。在注浆试验过程中的注浆压力以及累计流量通过压力变送器和数据采集系统进行自动记录。微裂隙注浆可视化试验系统如图1所示。
图1 微裂隙注浆可视化试验系统
Fig.1 Visual experimental system for micro-fracture grouting
1.1 注浆试验系统
注浆系统主要由氮气钢瓶、稳压阀、储浆罐和搅拌电机等部分组成。氮气钢瓶为注浆提供气源，输出的高压气体通过稳压阀进行压力控制，使气体能够以恒定的压力进入储浆罐以驱动浆液流动。在储浆罐的底部安装有搅拌电机，通过匀速搅动浆液来保证注浆过程中不会发生水泥浆液沉降和凝固。在恒定压力的作用下，水泥浆液经橡胶软管从储浆罐中进入到微裂隙模型中。
1.2 微裂隙模型
微裂隙模型由上下两个钢板经线切割加工后组合而成，模型实物如图2所示。模型上下两个钢板通过两个高强度螺栓进行紧固，通过在两块钢板平面之间放置超薄精密不锈钢垫片来进行裂隙开度调节，垫片最小厚度为5 μm。为保证裂隙面足够光滑，对裂隙面采用高精度磨光技术进行处理，保证上下两个裂隙面在模型闭合状态下极小的裂隙开度。整个模型尺寸长390 mm，宽50 mm，高100 mm。
图2 微裂隙模型实物
Fig.2 Physical chart of micro-fissure model
在裂隙入口处设置了进浆口测压孔测量进口压力，在裂隙面上设置了出浆口测压孔测量出口压力。在出浆口测压孔右侧布置溢浆口，使浆液沿溢浆孔流入到浆液收集桶中。通过在模型的前后两面布置高透材质的硅胶垫片加钢化高硼硅防爆玻璃达到可视化和密封效果，接着用“G型夹”将模型与钢化玻璃夹紧。为了避免“G型夹”产生的应力集中使钢化玻璃损坏，在“G型夹”和钢化玻璃板之间加上硅胶垫片和钢板。利用微裂隙模型，实现了注浆过程中水泥浆液渗滤效应的可视化观测。模型组装如图3所示。
图3 微裂隙模型组装
Fig.3 Assembly diagram of micro-fissure model
1.3 监测系统
监测系统主要分显微监测系统和压力流量监测系统两个部分。显微监测系统主要是对试验过程中裂隙入口处浆液渗滤现象进行微观监测。主要由长距离显微镜、高速摄像机、图像采集控制系统等部件构成。其中，长距离显微镜最小分辨率可达1.1 μm，高速摄像机最大拍摄速度可达到2 000帧/s。通过长距离显微监测系统观测的300 μm的微观图像如图4所示。
图4 300 μm裂隙开度微观图像
Fig.4 Microscopic chart of 300 μm fracture opening
除长距离显微监测外，还设有注浆压力和累计注浆流量监测系统。进出口注浆压力测量采用型号为MIK-P350的毫秒级高频压力变送器进行收集，并将收集到的压力变化数据通过无纸记录仪进行记录。累计注浆流量通过高精度工业电子台秤实时测量浆液收集桶内的浆液重量监测。
1.4 试验模型的可行性验证
为验证试验模型的可行性，利用微裂隙模型进行压水渗流试验。因为水属于牛顿流体，牛顿流体在单一平板裂隙中的流动遵循Navier-Stokes(NS)方程和质量守恒方程，假定流体在裂隙中流动满足层流、不可压缩等条件，则流体满足立方定律。
开展当裂隙开度20 μm时的不同渗流压力下的压水渗流试验。根据试验得到不同压差下流量数据，如图5所示，试验流量随着压差的升高而呈线性增加。根据立方定律可知，满足达西渗流条件的流量与压差之间呈线性关系，比较试验数据和立方定律计算所得曲线可以看出，试验数据与通过立方定律绘制的曲线基本一致，验证了模型设计的合理性以及可行性。
图5 裂隙开度为20 μm时注水试验
Fig.5 Water injection test at fracture opening of 20 μm
2 试验材料与试验方案
2.1 试验材料
试验采用的水泥为两种超细水泥和一种普通硅酸盐水泥，根据激光测试仪测得3种水泥粒径分布见表1。其中两种超细水泥是比表面积分别为800 m2/kg和900 m2/kg的超细水泥Ⅰ和超细水泥Ⅱ，其颗粒直径D95分别为15和25 μm。普通硅酸盐水泥选择比表面积为300 m2/kg的42.5级水泥熟料，其水泥颗粒直径D95为70 μm。
表1 水泥粒径分布
Table 1 Cement particle size distribution
水泥类型粒度分布/μmD10D50D90D95超细水泥Ⅰ ≤ 0.783≤ 4≤ 10≤ 15超细水泥Ⅱ≤ 0.310≤ 4.8≤ 18≤ 25普通水泥≤ 2≤ 15≤ 50≤ 70
根据相关文献研究，纯水泥浆液的流动性很差，特别是比表面积较大的超细水泥，水泥颗粒之间容易发生团聚现象，且分散性较差，导致浆液的流动性显著降低[15-16]。而在加入适量的高效减水剂后会得到较大改善。本试验中所采用的高效减水剂为萘系高效减水剂，适宜掺量范围为0.5%～1.0%。
利用ZNN-D6X型数显旋转黏度计，在六速、十二速条件下对3种水泥浆液进行流变测试。以水灰比1.0、添加剂0.75%条件下的3种水泥浆液为例，通过拟合得出3种水泥浆液的剪切力-剪切速率的流变曲线如图6所示。从图6可以看出，3种水泥浆液的流变性能与宾汉姆流体模型有很好的相关性。超细水泥Ⅰ、超细水泥Ⅱ以及普通水泥的塑性黏度分别为8.5,7.9，7.0 mPa·s。由此可见，随着水泥颗粒粒径的增加，比表面积减小，水泥的塑性黏度也随之减小。
图6 水泥浆液剪切力-剪切速率曲线
Fig.6 Shear force-shear rate curves of cement slurry
2.2 试验方案
根据注浆施工中常用的注浆压力和水灰比，利用研制的微裂隙注浆渗滤可视化试验系统，在注浆压力2.0 MPa、水灰比1.0的条件下，对不同裂隙开度的微裂隙模型进行注浆试验。为保证试验效率，试验从裂隙开度150 μm左右开始，以一定变化量逐渐增加或减小，直至浆液能够完全通过裂隙或完全无法进入裂隙为止，具体试验方案见表2。
表2 注浆试验方案
Table 2 List of grouting test schemes
水泥类型注浆压力/MPa水灰比添加剂/%裂隙开度/μm超细水泥Ⅰ2.01.00.7580～320超细水泥Ⅱ2.01.00.75100～320普通水泥2.01.00.75120～320
3 试验结果与分析
3.1 超细水泥Ⅰ浆液试验结果分析
按照试验方案进行超细水泥Ⅰ条件下的浆液渗滤特性试验，通过试验获得了当裂隙开度分别为80,100,140,200,240,280,300 μm时的压力流量曲线以及渗滤微观图像。
图7(a)和图8(a)为裂隙开度b=80 μm 时的压力流量曲线和渗滤微观图。从图8(a)可以看出，当t=1.14 s时浆液开始进入到裂隙中，但很快就在t=1.17 s时于裂隙入口处发生颗粒堆积，并在t=1.94 s时形成半圆拱形的滤饼。从图7(a)可以看出，进口压力曲线在快速升高后迅速稳定在一个固定值，结合累计流量变化曲线发现，出口几乎没有浆液流出，仅有少量的水透过滤饼从裂隙出口流出，出口累计流量最终仅为21 g，远小于储浆罐中浆液储量。从宏观图9(a)可以清晰的看到，在裂隙入口处形成了一个连续完整的半圆拱形滤饼。
图7 超细水泥Ⅰ注浆压力及累计流量变化曲线
Fig.7 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ultrafine cement Ⅰ
图8 超细水泥Ⅰ浆液渗滤微观图
Fig.8 Micrograph of ultrafine cement Ⅰ slumy filtration
图7(b),8(b)分别为在裂隙开度b=240 μm 时的压力流量曲线和渗滤微观图。其压力流量曲线特征与裂隙开度b=80 μm时相似，但不同的是，出口累计流量为694 g，明显大于裂隙开度b=80 μm时的21 g，但累计流量仍小于储浆罐中浆液储量。从图8(b)可以看出，当t=0.68 s时浆液开始进入到裂隙中，当t=1.88 s时在裂隙入口处出现颗粒堆积，并在t=8.54 s时堆积形成半圆拱形的滤饼。从颗粒堆积时间可以发现，随着裂隙开度的增加，在裂隙入口处发生颗粒堆积的时间也随之发生延迟。从宏观图9(b)中可以看出，在裂隙入口处形成水泥堆积，滤饼形状呈不规则半圆拱状。
图7(c),8(c)分别为在裂隙开度b=280 μm 时的压力流量曲线和渗滤微观图。从曲线变化图中可以看出，压力变化曲线与前者有着明显不同，其进口压力曲线在经历迅速增加和相对稳定状态后，由于储浆罐中浆液完全通过裂隙，进口压力曲线逐渐减小到0。结合出口累计流量曲线发现，出口累计流量最终稳定在1 258 g，与储浆罐中浆液储量相近，说明水泥浆液完全通过了裂隙，在裂隙入口处没有发生渗滤。从图8(c)可以看出，当t=1.80 s时，浆液开始进入到裂隙中，直至试验结束均未在裂隙入口处发生水泥颗粒堆积。从宏观图9(c)可以看出，裂隙入口处最终仅残留少量的水泥颗粒附着物，而无明显的滤饼形成。
图9 超细水泥Ⅰ注浆后宏观图
Fig.9 Macroscopic picture after ultrafine cement Ⅰ grouting
结合不同裂隙开度下注浆试验获得压力流量曲线以及渗滤微观图可知，当裂隙开度b≤80 μm 时，试验过程中水泥浆液无法进入到裂隙中，出口累积流量远小于储浆罐中的浆液储量;当裂隙开度80 μm<b<280 μm 时，试验过程中水泥浆液发生渗滤现象，出口累计流量小于储浆罐中浆液储量;当裂隙开度b≥280 μm 时，试验过程中水泥浆液没有发生渗滤现象，出口累积流量与储浆罐中浆液储量相近。
为了定量评估水泥浆液在裂隙中的渗滤特性，定义bmin和bcrit两个临界的裂隙开度值[12]。其中，bmin为浆液可注入最小裂隙开度值；bcrit为浆液完全无渗滤的最小裂隙开度值。基于试验结果可知，超细水泥Ⅰ的bmin和bcrit分别为80,280 μm。进一步定义浆液渗滤趋势k值[17]，其公式为k=b/D95，故两个临界的裂隙开度的k值分别为:kmin=bmin/D95和kcrit=bcrit/D95。超细水泥Ⅰ的D95=15 μm，故kmin=5.3，kcrit=18.6。
3.2 超细水泥Ⅱ浆液试验结果分析
按照试验方案进行超细水泥Ⅱ条件下的浆液渗滤特性试验，通过试验获得了当裂隙开度分别为100,120,140,180,240,280,300 μm时的压力流量曲线以及渗滤微观图像。
以裂隙开度180 μm为例，图10，11分别为其压力流量曲线和渗滤微观图。从图10可以看出，其压力流量曲线特征与超细水泥Ⅰ相似，进口压力曲线同样经历压力迅速增加和相对稳定阶段，这也是由于水泥颗粒在裂隙入口处发生渗滤导致堵塞裂隙入口导致。
从图11可以看出，水泥浆液在t=1.08 s时出现在裂隙入口处，在t=1.56 s时水泥颗粒在裂隙入口处发生堆积，在t=2.40 s时堆积形成半圆柱形滤饼，在t=4.02 s时形成堵塞，在裂隙入口形成半圆拱形滤饼。从宏观图12可以看出，注浆结束后滤饼的形状跟超细水泥Ⅰ的相似，分别为完整半圆拱形滤饼、断续状滤饼和仅有零星颗粒附着物。
图10 裂隙开度180 μm时超细水泥Ⅱ注浆压力及 累计流量变化曲线
Fig.10 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ultrafine cement Ⅱwith the fracture opening of 180 μm
图11 裂隙开度为180 μm时超细水泥Ⅱ浆液渗滤微观图
Fig.11 Micrograph of ultrafine cement Ⅱ slurry filtration with the fracture opening of 180 μm
图12 超细水泥Ⅱ注浆后宏观图
Fig.12 Macroscopic picture after ultrafine cement Ⅱ grouting
结合不同裂隙开度下注浆试验获得压力流量曲线以及渗滤微观图可知，当裂隙开度b≤100 μm 时，试验过程中水泥浆液无法进入到裂隙中，出口累积流量远小于储浆罐中的浆液储量;当裂隙开度100 μm<b<300 μm 时，试验过程中水泥浆液发生渗滤现象，出口累计流量小于储浆罐中浆液储量;当裂隙开度b≥300 μm 时，试验过程中水泥浆液没有发生渗滤现象，出口累积流量与储浆罐中浆液储量相近。
基于试验结果可知，超细水泥Ⅱ的bmin和bcrit分别为100,300 μm。超细水泥Ⅱ的D95为25 μm，故两个临界的裂隙开度的k值分别为kmin=4和kcrit=12。跟超细水泥Ⅰ相比，超细水泥Ⅱ的两个临界裂隙开度大小bmin和bcrit均有小幅度的增加，其对应的渗滤趋势kmin和kcrit也相应减小。
3.3 普通水泥浆液试验结果分析
按照试验方案进行普通水泥条件下的浆液渗滤特性试验，通过试验获得了当裂隙开度分别为140,180,240,280,310和320 μm时的压力流量曲线以及渗滤微观图像。
以裂隙开度280 μm为例，图13，14分别为其压力流量曲线和渗滤微观图。从压力流量曲线图中可以看出，其曲线特征也与前者相似，注浆入口压力曲线同样经历压力迅速增加和相对稳定阶段，这也是由于水泥颗粒在裂隙入口处发生渗滤导致堵塞裂隙入口导致。从累计流量曲线可以看出，出口累计流量为1 056 g，相对储浆罐的储量而言仍有一定差距，说明浆液并未完全通过裂隙。
图13 裂隙开度280 μm时普通水泥注浆压力及累计 流量变化曲线
Fig.13 Curves of grouting pressure and cumulative flow rate of ordinary cement with the fracture opening of 280 μm
图14 裂隙开度为280 μm时普通水泥浆液渗滤微观图
Fig.14 Micrograph of ordinary cement slurry filtration with the fracture opening of 280 μm
从图14可以看出，水泥浆液在t=2.82 s时浆液开始进入到裂隙中，在t=2.84 s时水泥颗粒在裂隙入口的壁面上形成堆积并逐渐扩大，当t=3.92 s时形成堵塞，在裂隙入口形成半圆拱形滤饼。从注浆后宏观图15(b)中可以看出，滤饼也呈断续状。
图15 普通水泥注浆后宏观图
Fig.15 Macroscopic picture after ordinary cement grouting
结合不同裂隙开度下注浆试验获得压力流量曲线以及渗滤微观图可知，当裂隙开度b≤140 μm 时，试验过程中水泥浆液无法进入到裂隙中，出口累积流量远小于储浆罐中的浆液储量;当裂隙开度140 μm<b<310 μm 时，试验过程中水泥浆液发生渗滤现象，出口累计流量小于储浆罐中浆液储量;当裂隙开度b≥310 μm 时，试验过程中水泥浆液没有发生渗滤现象，出口累积流量与储浆罐中浆液储量相近。基于试验结果可知，普通水泥的bmin和bcrit分别为140,310 μm。普通水泥的D95=70 μm，故两个临界的裂隙开度的k值分别为kmin=2和kcrit=4.42。
将超细水泥Ⅰ、超细水泥Ⅱ和普通水泥3种水泥的试验结果进行总结得到表3。
表3 试验结果
Table 3 List of test results
水泥类型bmin/μmbcrit/μmkminkcrit超细水泥Ⅰ802805.318.60超细水泥Ⅱ1003004.012.00普通水泥1403102.04.42
从试验结果可以看出，随着水泥颗粒粒径的减小，水泥浆液的最小可注入裂隙开度bmin从普通水泥的140 μm减小到了超细水泥Ⅰ的80 μm，有着较明显的减小，说明减小水泥粒径对于微裂隙中浆液的注入是有帮助的。但水泥浆液完全无渗滤的最小裂隙开度bcrit仅从普通水泥的310 μm减小到超细水泥Ⅰ的280 μm，并没有较明显的减小，特别是普通水泥与超细水泥Ⅱ这两种水泥之间的最小无渗滤裂隙开度bcrit仅相差10 μm。
结合浆液渗滤趋势k，从试验结果可以看出，随着水泥颗粒粒径的减小，3种水泥的kmin变化幅度不大，从普通水泥的2.0增加到超细水泥Ⅰ的5.3，仅有小幅度增加。但是3种水泥的kcrit变化幅度很大，从普通水泥的4.42增加到超细水泥Ⅰ的18.60。说明随着水泥颗粒粒径的减小，水泥浆液更容易在裂隙入口处发生渗滤，这是因为超细水泥比表面积更大，水泥颗粒间易发生团聚造成。
4 结 论
(1)研制了一套微裂隙注浆渗滤可视化试验系统，主要由注浆系统、微裂隙模型以及监测系统组成。通过这套试验系统能够实现对注浆过程中不同裂隙开度下的浆液渗滤行为进行观测记录，为研究浆液渗滤提供了可视化试验方法。
(2)通过渗滤微观图发现，3种水泥浆液在无渗滤发生时，在裂隙入口处无浆液颗粒堆积;但在有渗滤发生时，在裂隙入口处会发生浆液颗粒堆积并逐渐形成一个半圆拱形滤饼。通过宏观观测图中发现，当裂隙开度较小时，在裂隙入口处形成完整的半圆拱形滤饼;随着裂隙开度的增加，在裂隙入口处形成断续分布状滤饼;当裂隙开度增加到无渗滤发生时，裂隙入口处仅残留少量水泥颗粒附着物。
(3)通过试验获得了3种水泥的最小可注入裂隙开度大小bmin和最小无渗滤裂隙开度大小bcrit。研究结果发现，水泥粒径的减小对最小可注入裂隙开度大小的影响较大，但对最小无渗滤裂隙开度大小的影响较小。
(4)结合浆液渗滤趋势k，随着水泥颗粒粒径的减小，水泥浆液更容易在裂隙入口处发生渗滤，这是因为超细水泥比表面积更大，水泥颗粒间易发生团聚造成的。
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