断裂岩体注浆扩散机理的试验研究

保持地下洞室的安全

深部地下空间——例如煤矿中用于安置泵房的洞室——必须承受周围岩体的巨大应力。如果岩体开始开裂和位移，墙体可能发生数十厘米的鼓起，威胁设备、人员和整个工程。本文研究如何使用水泥基浆液更有效地“粘合”破碎岩体，使长条形地下洞室在多年内保持稳定和安全。

承受极端应力的泵房

研究对象为中国万福煤矿一处位于地表下800多米的大型泵房。尽管采用了钢筋锚杆、索及混凝土衬砌等重型支护体系，洞室的围护结构仍在持续变形。450多天的监测显示，右侧墙体最大向内位移达751毫米——接近一扇家用门的宽度，地面隆起超过30厘米。钻孔取样显示围岩存在深达7米的严重破裂带、一个中间过渡带，随后为完整岩体。现有的锚杆与索主要固结在破碎区内，无法发挥其全部强度。

浆液在破碎岩体中的扩散机理

为弄清如何重新增强此类损伤岩体，研究团队搭建了可容纳1.2米长人造断裂岩体块的大型实验装置。他们向这些岩块注入水泥浆，然后将岩块切割成段，测试随注浆点距离变化的强度。实验考察了两个类似日常情形的变量：岩块碎片的粒径和浆液的稀稠程度（水灰比）。在所有情况下，随着浆液向远处扩散，材料的抗压强度均有所下降。

锚杆周围的三类强度带

强度测试揭示了注浆区周围三类明显的带状分布。靠近注入点的约400毫米范围内为“初始衰减带”，强度较高但下降迅速；约400至1000毫米之间为“缓慢衰减带”，强度递减较慢；更远处为“边缘带”，质量和强度再次下降。该模式反映了浆液的流动与沉积特征：进入点附近浆体致密填充，远处流速减慢，在重力作用下发生部分分离并困留更多空隙，使外缘材料较弱。

碎块尺寸比浆体稀稠更重要

改变破碎岩块的粒径对注浆扩散影响更大于改变浆体的稀稠度。较大碎块形成更宽的间隙，使浆液能行进更远，将有效扩散距离从小粒径时的约800毫米延长到最大碎块时的约1000毫米。不过，过大的碎块也会产生更多薄弱界面，易成裂缝。调整水灰比对浆液到达距离的影响较为有限——扩散距离仍接近1米——但它显著影响整体强度和均匀性。中等配比（水灰比为0.5）达到较好平衡：材料强度高且较均一，气孔不过多。

从实验室到实际矿山安全

基于这些认识，工程师重新设计了泵房支护。采取错位布置的注浆锚杆，并确保锚杆与锚索长度至少比严重破坏带多出1米并延伸到完整岩体中。现场注浆采用建议的水灰比0.5。六个月的新监测显示，右墙位移从750多毫米降至不足40毫米——约下降95%。通俗地讲，经过精心设计的注浆将严重变形的地下空间转变为稳定区，证明了对浆液扩散与岩体破碎机制的理解可以直接转化为更安全、更可靠的地下工程实践。

引用: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

关键词: 地下岩体支护, 注浆, 断裂岩体, 煤矿工程, 岩体稳定性