巷道滞后注浆围岩控制理论与实践

1.概述1.1注浆技术应用现状采矿工程师应用注浆技术已有一个多世纪的历史，1864年首创水泥注浆法，1885年铁琴斯(Tietjens)成功采用地面预注浆开凿井筒，获得专利权；20世纪初注浆技术应用到井下巷道，此后注浆法在矿井建设中作为防治水和改善工程地质条件的重要方法，先后在英国、法国、南非和苏联得到广泛应用。比较有名的注浆工程如：巴黎地铁奥柏(Auber)车站注浆、横跨尼罗河的阿斯旺(AswanDam)水坝防渗注浆、日本青函隧道围岩预注浆等，其目的主要是防渗和堵水，客观上也起到稳定工程结构及围岩的作用。近数十年来，注浆技术在岩土工程实践中获得了更广泛的应用，已研制开发出多种注浆方法和上百种注浆材料，满足了很多复杂地质条件的工程要求，并积累了丰富的经验，逐渐发展成为一个相对独立的研究方向。1989年国际岩石力学学会成立注浆委员会，1991年我国在广州举行全国灌浆会议，并成立了中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会，加强了理论研究和技术交流。但由于岩土介质的极端复杂，裂隙岩体的渗流理论尚不够成熟，注浆工程常常依赖于经验，大型注浆工程技术参数只能依赖于反复的现场调试和监测，其中注浆固结体的力学性质、浆液流动时的力学过程以及注浆参数设计等理论问题，尤其缺乏系统完整的研究与论述。这些问题影响到注浆效果和技术经济指标的提高，甚至造成人力、物力的浪费，其总体研究水平与其他岩土工程技术相比尚处于初级阶段。在我国煤矿的井巷施工中，注浆技术早在20世纪50年代就有较多的应用，东北鹤岗矿区、鸡西矿区和山东淄博矿区首先采用井壁注浆封堵井筒漏水，随后山东新汶矿区张庄立井采用工作面预注浆取得良好堵水效果。20世纪60年代以后注浆法有了很大发展，在矿井中已将注浆用于堵水、灭火、密封(瓦斯)以及对软土和构造破碎岩层进行加固，处理围岩冒落坍塌事故，进行巷道修复等方面的工作。20世纪80年代以来，由于现代支护理论的发展和注浆技术的进步，以支护为目的的巷道围岩注浆在苏联、德国等地开始研究和推行，我国同期也在复杂和不良岩体内的巷道工程中采用过注浆加固技术。典型的实例有：金川竦矿用后注浆法加固巷道取得良好效果；山东龙口矿区采用注浆加固与锚喷支护或锚喷架联合支护治理软岩取得实效；徐州旗山矿应用锚注支护技术维护巷道取得成功；抚顺矿区采用卸压加固注浆获得成功；徐州矿务局权台煤矿在v类回采巷道中采用围岩注浆与锚架联合支护取得成功，淮北矿务局朱仙庄煤矿、芦岭煤矿的新掘岩巷、修复岩巷和煤巷中应用滞后注浆加固技术控制围岩变形取得明显效果。注浆材料也从水泥浆发展到多种化学浆、水泥一水玻璃浆。因此，从历史发展看，注浆多用于岩土工程的堵水、防渗与加固，主要是一门与地下水害作斗争的工程技术。煤矿巷道围岩注浆加固技术目前仅作为一项特殊的手段，主要用于如下两种情况：为提高掘进头及掘进工作面前方煤和岩体的稳定性，短期加固煤岩体，便于安全掘进和支护，从时间上可分为预注浆和随开挖及时注浆，由于巷道开挖工程扰动和初期的剧烈变形，注浆加固区很快出现严重破坏，对长期维护的作用不大，为提高已掘完和被支护巷道松动岩体的稳定性，对破坏岩体进行滞后注浆加固，注浆加固体参与围岩稳定过程，并成为围岩承载结构的一部分，达到长期稳定巷道围岩、限制围岩变形的支护目的。第一种情况主要用于原始工程地质条件恶劣时，注浆的目的是为施工创造条件，防止冒落和渗水；第二种情况为滞后注浆方式，目的是控制围岩变形。从控制巷道围岩变形的实际效果出发，在巷道掘进后周围形成破坏区时，应用注浆加固作为维护巷道稳定性的手段最有效。本项目针对滞后注浆问题开展研究，其特点主要为滞后加固注浆是在巷道开挖后的围岩变形过程中实施的，参与巷道变形与稳定过程，以控制围岩变形为目的。1.2注浆理论研究近几十年来一般岩土注浆理论发展较快，成果主要集中在岩土介质中浆液流动规律及岩土体的可注性，裂隙充填物对流动和围岩稳定性的影响，平面裂隙接触面积对裂隙渗透性的影响，仿天然岩体的裂隙渗流实验等方面，但应用较多的仍然是渗透注浆理论和劈裂注浆理论。渗透注浆理论近几十年来，国内外学者对渗透注浆法进行了较多的理论与实验研究，发展了一些渗透注浆理论，包括马格(球形扩散)理论、柱形扩散理论、卡罗尔理论、拉夫莱理论和袖套管法理论等。马格理论假设被注体为均质各向同性体，浆体在地层中呈球形扩散，并给出牛顿体注浆压力、注浆时间、扩散半径和注浆量等重要理论公式，该理论是以钻杆端部点注浆为基础建立起来的，既有普遍的适用性，又有很大的局限性。柱形扩散理论是以注浆管体的一部分为注浆过滤段，它与马格理论有类似的假设，导出了注浆时间、扩散半径和注浆量的公式。劈裂注浆理论劈裂注浆理论认为在注浆压力作用下，浆液可以克服地层的切应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应力的平面发生劈裂，浆液便沿此劈裂面渗入和挤密地层体，并在其中产生化学加固作用，浆脉形成骨架。我国在这方面的研究较多，并对基岩、砂层和粘性土层劈裂注浆时的劈裂条件作了充分研究，认为在均质软弱地层中首先产生竖向裂隙，在层状软岩中首先产生水平裂隙。这些成果具有较好的理论指导意义，但在定量应用上受到较大限制。由于注浆介质的复杂性和工程的隐蔽性，注浆理论研究难以开展，其研究水平不仅严重滞后于注浆工程实践和注浆材料的发展要求，而且严重滞后于一般工程技术研究的发展水平。大多数注浆工程报道或论文中，只介绍注浆施工工艺过程及注浆效果，很少进行注浆理论分析研究，已有的结论也主要是基于宏观的和感性的认识，缺乏具体的、定量的测试分析，在细观、微观层次上的研究明显不足。1.3注浆实验研究注浆实验多结合室内模拟实验开展，主要研究注浆参数及其影响因素之间的关系，国内外常用的有平板式、圆管式、槽式模拟实验台，通过调节裂隙张开度、长度、粗糙度等参数研究渗流规律，分析注浆参数等。注浆参数主要有浆液扩散半径R、注浆压力P、注浆量Q和凝结时间T等，影响因素主要有被注岩土的渗透率k、浆液初始粘度u、注浆时间t等。苏联和我国学者通过实验研究得出有关注浆参数经验公式。国内学者利用特制的实验装置和测试系统对浆液渗流压力分布情况进行过测试，并通过回归分析得出渗透压力按二次抛物线规律衰减。国内外较著名的注浆参数模拟实验有：苏联学者在实验室进行过砂质岩层中浆液扩散参数模拟实验研究，以确定注浆参数与被加固的岩体性质、浆液特性之间的关系；奥地利学者模拟了不同开度的平面裂隙中的浆液流动规律；国内的注浆模拟实验装置有水利水电科学院的平板型、煤炭科学院的圆管型和东北大学的槽型及扁圆柱型等实验台，利用这些装置可以研究岩层裂隙注浆和多孔介质注浆的模拟实验。由于模拟条件与实际地层结构有较大差距，裂隙、孔隙状态参数、介质粒度等模拟参数均与实际条件难以吻合，而且常常仅能模拟单一裂隙，因此模拟出的浆液流动特征及其规律与实际情况相差较大，今后的发展方向是进一步仿真模拟，以缩小这种差距，指导具体的注浆工程实践。1.4注浆工艺和参数研究注浆工艺是研究在不同的工程地质和水文地质条件下，根据施工对象(井筒或巷道)的技术特征、工程性质和施工要求等，所采取的不同注浆方案和施工方法，以及完成注浆工作全过程的作业程序和操作要领。注浆工艺复杂多变，针对性很强，而注浆参数是影响和确定注浆工艺的最重要因素之一，一直是注浆技术和注浆效果研究的一项主要内容。其注浆参数包括如下几项：注浆压力注浆压力是浆液在岩土中扩散的动力，受工程地质条件、注浆方法和注浆材料等因素的影响和制约。国内外对确定注浆压力值持两种截然相反的原则：一是尽可能提高注浆压力；二是尽可能用低压注浆。这两种观点各有利弊，对不同的工程有不同的指导意义。一般来说，化学注浆比水泥注浆时压力要小得多，浅部注浆比深部注浆压力要小，渗透系数大的地层比渗透系数小的地层注浆压力要小。堵水与防渗工程中水压的影响十分显著，煤矿地面立井预注浆压力一般为静水压力的2.0〜2.5倍。水坝注浆压力一般为1〜3MPa，浅表地层注浆压力一般为0.2〜0.3MPa，地下隧道和巷道围岩主浆压力最大可达6MPa，最小值在1MPa。.扩散半径扩散半径的影响因素甚多，它随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、浆液流动特征、注入时间等因素的变化而不同，它决定着注浆工程量和工程进度，常用一些理论或经验公式估算，但最终往往仍需通过试验确定。.凝胶时间凝胶时间是浆液本身的特征，不同的注浆工程可能要求浆液凝胶时间在几秒到几小时的范围内调节，并能准确控制。几种典型浆液的凝胶时间据文献［27］、［28］为：单液水泥浆从几十分钟到十几小时，水泥一水玻璃双液浆从几秒到几十分钟，高水速凝材料从几分钟到几十分钟。1.3注浆材料研究。常用的水泥类材料可分为三类：①以水泥或在水泥中加人一定量的附加剂为原料，用水配制成浆液，采用单液系统注入。试验表明，水泥浆液只能注入到比它本身粒度大三倍的空隙中去，目前常用的水泥最大粒径为0.085mm,在一般的压力下只能注入最小宽度为0.255mm的空隙中。虽然这种浆液存在颗粒粗、可注性差、凝结时间长且不易控制、浆液易沉淀析水和结石率低等缺点，但它来源广、价格低、结石体强度高，因而被广泛采用。②以水泥和水玻璃为主剂，按一定比例，采用双液方式注入，其结石率较高，可注性比水泥好，凝结时间短且易控制，但结石体强度较低，如控制不好经过一段时间后结石体易松散，对工艺要求也较高。⑧中国矿业大学侯朝炯教授等发明的ZKD型高水速凝材料是近年来研制的一种新型水泥类注浆材料，它可以速凝成具有一定强度的固结体，水灰比调节范围大，可以在高的水灰比条件下固结而不析水，浆液流动性好，渗透性好，材料本身固结后塑性好，具有微膨胀性，且成本较低，是一种性能优良的新型注浆材料。第二节软岩动压巷道支护技术一、软岩巷道的破坏形式及矿压特征巷道围岩的破坏形式主要取决于岩体结构和地应力分布，按其诱发原因可分为两类：①地质弱面或结构面诱发的破坏，可称为弱面型破坏。表现形式为局部的节理块或楔状块体掉离顶板或巷帮；②地应力诱发的破坏，可称为应力型破坏。表现为顶板下沉，两帮移进、底鼓或全断面来压。巷道支护对围岩破坏有一定程度的影响，一般来说喷浆、金属支架、锚杆支护能够抑制弱面型破坏，这些支护能够增加帮顶的径向约束，以阻止围岩的进一步松动，因而单一类型的松散、软弱和破碎型软岩巷道维护难度相对较小，采用锚喷架等常规支护可以取得成功。当这些软岩巷道受到构造应力或采动影响时即成为复合型软岩巷道，表现为应力型破坏，维护十分困难。巷道地压基本上属于变形地压，局部岩层存在松散地压，膨胀性岩体内存在膨胀地压。变形地压的产生是一个复杂的过程，它可能包括：弹性恢复、塑性变形、粘塑性变形、破裂面的产生和沿结构面的挤压错动、膨胀岩体的遇水膨胀、空间效应等，由于岩性和岩体结构不同，各种变形及其对支护的影响也不同。从软岩巷道变形的宏观表现看，有如下特点：来压快、压力强度大、持续时间长。压力分布不均匀。地压分布与岩性和岩层结构及矿物组成、岩层产状及空间几何位置、岩石力学性质、工程因素等有关。同一测量断面不同位置的支架载荷值相差可达10倍以上。在层状软岩采准巷道中这种现象十分突出，常见由于偏心受压或集中载荷作用而使支架变形折损。塑性变形大，具有明显的流变性质，很容易产生松散地压。由于围岩应力大，强度低，塑性变形量非常可观，长时间不能完成塑性变形。由于维护不当，巷道周边位移在无约束或低约束状态下任意增大，变形地压转化为松散地压。具有明显的时间效应。巷道围岩位移随时间变化的趋势是初期迅速增长，随后位移增加变缓，到一定阶段趋向稳定。巷道围岩变形具有明显的阶段性。软岩巷道大量的井下实测都显现出变形的阶段性：①掘巷之初的剧烈变形和应力调整阶段，随巷道围岩裂隙的发育，变形速度快速衰减，同时围岩变形量增长很快。②二次应力场初步形成，破裂范围趋向稳定的稳定变形阶段，围岩变形速度基本保持一致，位移量表现为缓慢增长。③应力扰动、围岩长时强度降低、采动影响等导致围岩稳定性降低，围岩进一步表现出加速变形的特征。当围岩极其软弱、高地应力作用、支护选型不合理和初期的松动破坏范围大时，可能导致第二阶段不明显，或几乎没有稳定变形阶段。事实上第二阶段的相对稳定在很大程度上取决于第一阶段的支护及围岩所能保持的承载性能。从巷道开挖后围岩的破坏及应力调整规律看，阶段性特征是始终存在的。二、软岩巷道支护原理与技术.软岩巷道支护原理目前软岩巷道支护理论较多，一般都是从如下三方面不同程度地回答巷道与支护围岩的关系：①围岩的赋存特点；②围岩的应力状态及控制；③支护的作用。弹塑性理论按围岩的赋存及应力特征将围岩进行了合理的分区，并提出支架与围岩相互作用关系曲线，认为支护系统应具有适当的强度和一定的可缩量。松动圈支护方法研究了巷道浅部破裂松动范围及特点，认为巷道围岩松动圈厚度能够综合反映围岩支护难易程度，并提出松动圈分类表及相应的锚喷支护数和工艺方法。加固承载圈原理主要解释了支护的作用，有两种：①直接作用周边浅部围岩，并作为内部结构的一部分，以改善围岩力学性能，提高围岩强度，形成主动式加固承载圈，比如锚杆支护，巷道围岩注浆加固技术；②通过提供边径向约束力，改善浅部围岩的受力状态，并承担松散岩体的重量，形成被动加固承载圈，比如砌圈、金属支架等支护形式。二次支护理论认为，由于软岩变速度快、变形量大、变形时间长，且随掘巷立即支护恰逢围岩剧烈变形，一次支成巷，其永久支护不能适应软岩变形特征，难以实现围岩长期稳定，而根据围变形的动态观测，确定二次支护时间，采用二次支护，可以达到最佳支护效果。力控制理论与二次支护理论相近，强调利用围岩的自稳能力，充分释放围岩力，使围岩二次应力小于围岩强度。新奥法是充分利用和调动巷道围岩强度、自身承载能力，根据岩石力学及围岩支护共同作用原理制定的一套完整的地下工程设计、施工、支护、监测新方该方法主要包括以下内容：把围岩和支护结构看成统一的相互作用相互支护共同承载体，最大限度地保持和调动围岩的原有强度，充分利用围岩的自身承载能力；提出以锚喷支护为主体的两次支护的概念；建立了地下工程施工的量测体制，对围岩位移和支护受力状态始终进行监测，进行信息反馈，评价支护效果，调整支护参数。新奥法明确提出并强调保持围岩强度，利用围岩自承能力及两次支护和观测反馈的思想已作为软岩巷道维护的基本原理成为共识，但是它更多地指出了应当遵循的支护理念，而对于如何从技术上实现并不明确。软岩工程力学理论从软岩强度和工程力的对立统一关系中分析把握软岩的相对性实质，提出支护过程原则、塑性圈原则，提出的围岩分类及复合型变形力学机制向单一型变形力学机制转化的思想及技术对软岩维护具有一定的指导意义。还有其他一一支护原理和方法，这些成果从不同的侧面和不同特点所做的总结，都具有可取之处。岩体结构和地应力是客观存在的，对特定的工程而言，巷道围岩条件选择余地很少，而支护及工程施工对巷道围岩稳定性的作用则具有主观性，属于能动的因素。巷道围岩控制理论和相关技术的发展已表明，采用先进、科学的维护技术能够改善或保持围岩的稳定性，满足工程要求。.软岩巷道支护技术20世纪80年代以后，巷道围岩控制技术快速发展，对支护与围岩的关系认识更加深入，围岩不仅被看作是传递和产生载荷的介质，同时也是与各种在其内部或外部支撑的支护结构物构成统一的、相互作用的共同承载体。软岩巷道维护是支护结构与围岩结构相互作用的过程，其变形与破坏不仅表现为岩石材料的变形破坏，更主要的表现为整体结构的变形与失稳，软岩结构力学效应在工程中占主导地位，控制并允许有限制的围岩变形以满足工程需要是支护的惟一目的。因此加固围岩以改善和提高围岩本身的力学性能已成为支护技术发展的主流，因而巷道围岩注浆加固技术的发展也就成为必然。从支护与围岩的相互作用关系和实质来看，巷道支护技术可分为三个层次：(1)通过提供外力的方式直接作用于巷道围岩的表面，如支架、碹体。(!)碹体支护。利用水泥砂浆粘结料石组成拱形或封闭形状的承载体，被动承受因围岩变形而产生的压力，大量的实践表明，碹体只是在一定的围岩载荷方式下才能表现出较高的强度和承载力，而随着开采深度的增加，暴露的问题日益突出，部分软岩矿井采用双层乃至三层碹体加固仍不能满足要求，短时间维护即遭破坏。因而不适应软岩高地应力或复杂地质条件下的巷道支护要求。②金属支架。常用的有工字钢梯形支架和。形钢拱形可缩支架。普通支架为刚性支护，支撑力小，不适应软岩变形，改进的双向(或单向)可缩的工字钢梯形支架可缩性能大大提高，但整体的支撑性能仍较差；。形钢拱形可缩支架具有较强的可缩性能和一定的支撑能力，但其力学性能受连接件性能和壁后充填程度等因素影响很大，在高应力、侧向大变形和严重底鼓的巷道中适应性较差，封闭形u形钢支架(圆形、方环形和长环形)强化了支架对两侧及底板的约束能力，但施工复杂，成本高。刚性支架通过产生被动的径向约束力来平衡围岩的变形压力，减少围岩变形；可缩支架则有利于实现支让平衡，对软岩的适应性大大提高，但随着采深的加大，需加大架形，支护费用增加很多，支护效果却得不到明显改善。实践已经证明，单纯依靠加大型钢重量已不适应煤矿深井支护的要求。不仅能提供施加于巷道表面的力，而且能与巷道围岩内部建立某种相互作用关系，如锚杆、锚索等。常用的是锚喷支护，它是由金属材料等加工而成的杆状物体，用水泥药卷、树脂药卷或水泥砂浆等粘结材料，以端锚、部分长度锚固和全长锚固的形式直接作用于巷道周边一定范围内的岩体，约束杆体周围岩体的相对变形，常和围岩表面喷射混凝土结合，具有及时性、密贴性、封闭性和经济等优点，被广泛采用。其中应用较多的是水泥端锚锚杆，因施工质量受人为因素影响较多，安装质量难以保证，在软岩巷道中应用，其可靠性、安全性及支护效果都不理想，实用性较差；近期发展起来的高强树脂锚固螺纹钢锚杆克服了以上缺点，在深井软岩中应用取得了较好的效果，发展潜力大。直接作用于巷道围岩结构本身，可根本改善围岩性状，提高围岩力学性质，比如围岩注浆加固。以上所述实际上是逐渐提高的三个层次，按照现代软岩控制思想，采用的层次越高，维护巷道的效果越好，越能充分发挥和调动围岩自身的承载能力。目前锚杆支护系列受到广泛的重视，并在深井、软岩等复杂条件的巷道中开始应用，巷道围岩注浆加固技术则刚刚开始，但已显示出了较大的优越性，发展前景广阔。还应当提及的是联合支护，它是由两种以上单一支护形式的结合，一般多采用不同性能的单一支护的组合结构，以便发挥各自的性能，弥补不足，共同作用，促使围岩稳定。目前联合支护已成为软岩支护的一个基本原则，常用的有锚喷支护、锚喷与金属支架联合支护和。形钢支架与喷层联合支护，并已有很多成功的实践。第三节巷道围岩注浆控制技术的特殊性一、巷道注浆围岩稳定性控制技术的现状由于巷道围岩和变形破坏是持续发展的，因而注浆固结作用必定参与巷道围岩的稳定过程，利用注浆材料充填和固结原有的或新产生的裂隙面，为巷道围岩的进一步稳定提供更好的围岩条件，符合现代软岩巷道围岩控制理论。但有针对性的具体深入的研究仍很少，多数停留在对巷道围岩注浆加固机理的宏观总结上，有的也涉及到考虑围岩动态变形的注浆时机和注浆参数，现分别介绍如下。1.对巷道围岩注浆加固机理的认识提高岩体强度改善弱面的力学性能，即提高裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。很多文献通过现场直接测试和实验室实验，分析比较了注浆前后的岩体力学性能，不同岩体力学指标的改善程度及影响因素。其中文献［38］对二滩拱坝坝基弱风化岩体灌浆加固效果进行了比较详细的研究：目测裂隙被水泥浆充填数的比例为5.1%〜34.8；声波测试表明灌浆前声波传播速度分散，灌浆后有明显提高且分布均匀，岩体结构效应减弱；岩体强度改善与灌浆前岩体质量有关；钻孔变形和承压板中心法试验表明，风化正长岩变形模量提高55〜60%，甚至一到两倍；弹性模量提高28.1%；结构面力学性能和抗剪强度实验表明粘聚力和内摩擦角都有不同程度的提高，刚度和抗剪强度都得到改善，其中刚度更为明显。苏联学者对后注浆加固围岩的力学过程进行了理论分析和现场测试，结果表明注浆后岩石的粘聚力增加了40%〜70%，平均增加50%，从而提高了巷道的稳定性。据苏联、法国、西班牙和意大利等国有关资料报道，注浆加固使砂岩强度增加50%〜70%，粉砂岩和泥质岩强度增加3倍，粘聚力提高40%〜70%，岩体静弹模提高22%〜37.5%，动弹模提高4.5%〜17.5%，地震波速提高14%〜53%。(2)形成承载结构破碎松散岩体中巷道实施注浆加固，可以使破碎岩块重新胶结成整体，形成承载结构，充分发挥围岩的自稳能力，并与巷道支架共同作用，从而减轻支架承受的载荷。相关研究表明，围岩注浆加固使巷道支架载荷降低2/3〜4/5,围岩与支架一起变形时支架载荷可降低3/4〜5/6。根据抚顺龙凤矿深井软岩巷道卸压加固效果的有限元分析，注浆加固可明显改善围岩应力分布，大大减少围岩变形。改善赋存环境软岩巷道围岩注浆后，浆液固结体封闭裂隙，阻止水气浸入内部岩体，防止水害和风化，对保持围岩力学性质、实现长期稳定意义重大。2.对巷道围岩注浆参数的认识巷道围岩注浆参数除了上述几个参数外，还有注浆时机、注浆加固深度等需要特殊考虑的参数，它们与巷道围岩变形和稳定性相关，目前研究较少。文献针对巷道围岩注浆加固的特殊规律，明确提出滞后注浆时间是一项主要技术参数，并详细分析了滞后时间的确定方法及影响因素，初步建立了滞后注浆稳定围岩的基本框架。此外还分析了注浆加固深度、注浆压力等巷道围岩注浆加固参数的确定原则。二、巷道围岩注浆控制技术的特点作为注浆加固的对象，巷道围岩在不同的工程地质条件下的破裂变形特征及演变规律是研究巷道围岩滞后注浆稳定性的基础，因而应首先把握软岩巷道围岩的赋存状态。.注浆的对象是巷道浅部的破裂岩体软岩巷道周边围岩产生大变形、大位移和严重底鼓等现象表明，巷道周边较大范围内的岩体在地应力作用下进入破裂状态，岩体峰后力学性能表现突出。地下工程的特殊性也使人们认识到软岩巷道围岩破裂圈是客观存在的，巷道的矿压显现主要表现为破裂后岩体的力学行为。因而只有对软岩巷道围岩的破裂发展过程和破裂后的力学性态进行深入研究，才可能揭示软岩巷道的变形机理，并指导软岩巷道围岩控制技术。自1938年O・G.Kien和J.A.Maldari利用普通实验机附加刚性组件首次获得岩石单轴全应力应变曲线以来，特别是电液伺服(控制)试验机(servo—Controltestingsystem)的出现，使人们对岩石的本质特征有了更接近真实的认识。一些专家学者对岩石破裂后的强度特征进行了许多有益的探讨，这些认识主要是基于岩石全应力应变曲线。20世纪60年代以来，刚性试验机和伺服试验机的应用日渐增多，已对岩块单轴压缩全过程进行过众多实验，在岩性实验研究的指导思想上更注意仿真地下工程岩体的实际受力状态，特别注重研究破裂岩体或岩石破坏后的力学性能［41,42,43］。软岩力学问题研究也集中于外力作用下破裂岩体的变形和持续破坏规律，这是巷道围岩控制理论研究的基础，也是注浆加固巷道围岩的理论出发点。巷道围岩注浆加固的实践表明，注浆的有效作用范围主要是巷道周边浅部围岩，即处于低围压约束下的松动破裂岩体。“宿县矿区高应力采准巷道综合治理研究”课题的分析结果表明，注浆加固的有效作用范围为1.O〜2.0m；旗山矿软岩动压巷道锚注支护效果分析表明以围岩深度1.1m全周边注浆效果最佳，岩体密实性好，而深部1.1m以远注浆效果不明显，文献［5］、［38］、［45］的结论都与之相近。因此可以认为巷道围岩注浆加固的有效作用区域主要是处于松散破坏状态的周边浅部围岩。.巷道围岩的破坏是渐进发展的围岩赋存状态是一个动态变化过程，受多因素影响，围岩自身稳定性始终有恶化趋向。围岩在强度弱化和破裂过程中，始终保持一定的承载能力；其残余强度主要表现为裂隙面间的摩擦咬合性能，较完整岩块承载能力大大降低。由于岩性的松散破碎，开挖后必然产生明显的松动破裂范围，这一部分岩体主要对应于岩石的残余破坏段，向内岩石处于应变软化状态，宏观破裂面很少，因此巷道周围的注浆固结区岩体主要是指处于残余破坏段的岩体。宏观裂隙的大量存在使岩块间不连续性大大加强，岩块实际上多以点线接触，块间传力机制弱化或部分丧失，承载结构处于极易失稳的极限平衡状态，其中松动岩体只提供自重载荷；受围岩应力场和围岩强度控制的主破裂面很快形成，巷道矿压表现为顶板下沉、两侧帮挤人、底鼓及全断面来压。.围岩处于应力调整后的降低区，径向周边围岩处于低约束状态浅部围岩的应力降低是伴随塑性变形而产生的，是岩体强度和承载能力的下降，它不同于未遭破坏岩体的应力解除。巷道围岩变形破坏是在巷道开挖后应力的调整和重新分布过程中发生的，因而围岩破裂体的围压环境与重新分布应力场密切相关。力学分析表明，巷道开挖之初的应力集中主要表现为巷道壁附近环向应力的提高，而径向应力则显著降低，并在巷道周边趋向于零。这种开巷引起的二次应力调整不仅使三向应力状态转化为两向应力状态，而且在巷道周边出现应力集中，软岩巷道围岩必然会因为其强度低于围岩应力而破坏，采动影响等后续应力扰动将进一步加剧这种变形破坏。随着巷道周边围岩的逐渐破坏，环向应力集中区向深部转移，径向应力会有所提高，但浅部围岩应力的变化程度尚不足以改变围岩的低围压环境。巷道浅部破裂岩石的约束力是由常规支护提供的，其阻力一般小于0.3〜0.5MPa，绝对值是非常小的，因此巷道周边围岩处于低围压环境，其力学性能及破坏特征是由低围压环境决定的。4.地下工程特殊的结构效应巷道围岩由表及里破裂程度相差较大，衰减较快，而巷道围岩的渗透性能是随裂隙的发育而变化的，因而也受围岩破坏和变形程度控制。只有结合这些特点开展系统的研究，一方面把握巷道围岩注浆加固与一般注浆技术的共性，以充分利用现有的注浆理论与技术成果，另一方面结合巷道围岩动态变形的特点研究破裂岩体的固结和裂隙渗流规律，注重其特殊性，才可能解决注浆加固稳定巷道围岩的技术和理论问题。三、本书研究的重点内容现代支护理论很强调在巷道围岩变形与稳定过程中，通过支护的作用改善围岩的力学性能，强化支护围岩结构，达到稳定围岩限制变形的目的，实现主动支护，以最经济的方式满足工程要求。巷道围岩滞后注浆技术正是在巷道围岩破坏和变形的过程中，通过注浆加固破裂围岩来实现围岩稳定的。在巷道围岩注浆控制系统中，破裂围岩的固结规律、注浆的作用机理、裂隙岩体内浆液流动过程及特征、注浆施工及监控技术都有待于深入研究；注浆方式和时机的选择、注浆参数的确定也必须与巷道围岩的工程地质特征相联系，与围岩开挖后的力学行为及支护相匹配。因此本书在大量工程实践和实验室实验的基础上，以巷道围岩破裂体的注浆固结性能和浆液渗透规律为中心，和当代软岩巷道围岩控制理论有机地结合起来，建立巷道滞后注浆围岩控制理论和相关技术，解决巷道滞后注浆围岩控制技术的关键问题，以揭示巷道围岩的注浆固结规律，分析巷道滞后注浆的围岩稳定性，重点从以下几个方面揭示巷道围岩注浆稳定性控制技术的本质规律：.破裂岩体注浆固结规律的实验研究由于巷道围岩裂隙的产生发育与围岩变形破坏密切相关，因而具有特殊性，有针对性的理论研究较少。同时由于注浆材料粒度、粘度、强度等参数难以用相似材料直接模拟，一般也很少采用相似材料模拟实验直接研究巷道围岩注浆流动规律。文献［46］利用相似材料制作巷道模型，加载形成破裂圈后开展注浆，研究注浆介质结构特征、注浆压力变化规律等，得出了一些有益的结论，但很难开展定量分析。文献［47］利用高水速凝材料作胶结材料，做岩性、浆材配比、注浆压力三因素正交实验，研究破裂岩体固结性能，并分析其影响因素，明确提出了被注介质的应力水平和破坏状态，概念明确，可以深入分析。本书对真实岩样的破裂及注浆固结规律开展实验室研究，比较注浆固结前后岩体的力学性能。建立巷道围岩特定赋存状态下的注浆固结规律，提出破裂岩石注浆固结体的破坏形式、变形及强度特征，固结性能的主要影响因素，分析注浆固结前后岩体力学性能的主要变化特点。.软岩巷道注浆加固的工程应用通过对井下新掘岩巷、修复岩巷、煤巷等三类采准巷道注浆工程应用实例研究，系统研究锚喷、金属支架及其联合支护等多种支护形式下的注浆技术，分析巷道围岩注浆加固体的整体力学效应，总结注浆加固机理。.巷道围岩滞后注浆技术深入分析巷道滞后注浆的围岩稳定性，揭示滞后注浆参与巷道围岩稳定过程的机理；结合巷道围岩的破裂特点及变形规律，总结滞后注浆加固技术。在围岩的动态变形过程中，注浆时机、注浆方式、注浆过程中的施工控制都具有特殊性，因此应研究适合于巷道维护的滞后注浆技术。包括如下几方面：总结巷道围岩变形及裂隙参数变化之间的关系，与裂隙岩体渗流的有关理论结合起来，研究巷道围岩的可注性及滞后注浆方式的合理性，分析巷道围岩变形过程中渗透系数的变化规律，研究滞后注浆时机及注浆深度等特殊参数的确定方法和原则；开展巷道滞后注浆的围岩稳定性分析；研究巷道围岩的特殊注浆施工控制技术；软岩巷道围岩的绝对变形量较大，这就要求注浆固结区能适应较大变形，并满足支护强度的要求，因而应分析适宜于巷道围岩注浆的材料性能，并选择适宜的注浆材料；巷道围岩注浆一般不单独使用，而是与其他维护手段联合支护，因此应研究合理的注浆方式及与其他支护技术的合理组合与匹配。以巷道围岩滞后注浆加固技术为基础，提出适合高应力软岩动压巷道的分阶段动态加固的实用支护技术。第三节影响注浆固结效果的几个因素破裂岩体的固结机理主要表现在两个方面:直接提高破裂面强度;改善破裂岩体的变形性能，提高变形刚度，使注浆固结体表现为较强的抗变形和承载性能。松散煤体的固结机理则表现在:通过“投锚”作用产生较大的物理粘结力，强化煤体分子基团之间的分子作用力，同时也降低了内部应力集中程度和可能在尖端形成的拉力，减少了在外力作用下的破坏，从而提高了煤体的强度和完整性。破裂岩体和松散煤岩体注浆固结实验都表明注浆固结效果的影响因素包括三个方面:岩石材料性能（结构块体的力学性能、岩性状态、应力状态等）、注浆材料性能（浆液配比、凝胶体强度、渗透性能等）、注浆参数（注浆压力等）。运用极差法对正交实验结果进行评定，如表2.8所列。由表2.8可见在岩性、浆液性能和注浆参数中，岩体的极差最大，因而对注浆效果影响最大，浆液性能次之，注浆参数影响最小，岩性从根本上决定固结体的力学性能，这里岩体的破裂程度和状态又是至关重要的。当块体裂隙较少时，注浆固结效果很不明显，随破坏程度增加是值提高，但绝对强度值有降低趋势，几种常见煤系地层岩石的五值范围为5%〜60%。而采用同一注浆材料时，不同岩体愚值相差不大，高水速凝材料注浆时，其五值约为1.5。因此在研究破裂岩体注浆固结规律时，首先应把握住被注介质的特点，分析岩性条件及可注性。在选择施工方案和施工工艺时，也应更重视浆材配比，最后考虑注浆压力等参数。表2.8正交实验结果分析序号岩性浆液配比注浆压力/MPa强度恢复系数k/%1煤1.8l10.837.982煤2.Ol11.O36.413煤2.25l11.220.674泥岩1.8l11.O15.025泥岩2。Ol11.229.246泥岩2.25I1O.818.607砂岩1.8；11.28.858砂岩2.OI1O.85.959砂岩2.25I11.O7.92序号岩性浆液配比注浆压力/MPa强度恢复系数k/%

合计95.0661.85合计95.0661.8562.53总和：180.6462.8671.659.3522.7247.1958.76平均31.6920.6220.8420.9523.8719.787.5715.7319.59极差24.128.14125、岩体状态与注浆固结效果的关系第二章破裂煤岩体的注浆固结规律岩体材料性能本身又是复杂的多因素问题，地下工程遇到的围岩条件千变万化，对于特定的围岩环境来说，岩体材料是不可选择的，但巷道开挖后，围岩的破裂状态和程度是处于动态发展变化中的，这就需要进一步研究岩性状态与注浆固结效果之间的关系。'三种岩性：煤体五值为31.69%，泥岩为20.95%，砂岩为7.57%。可见煤压注浆的效果最明显，其次是泥岩，砂岩的注浆效果最差。直观上看，岩体强度越低，材质越松软，五值越大。其实每一种岩体的点值波动也较大，比如，砂岩的志值为5.35%〜21.5%，泥岩的是值为13.4%〜29.2%，煤的愚值为20.7%〜60.1%，因此单从岩性上分析不尽合理。更进一步观察发现，是值对岩体的破裂程度和状态最敏感。表2.2中，泥岩和煤各有一块试样是三轴加载的，试件只有一条明显的剪切裂隙，经注浆固结后，固结体强度分别为0.86MPa和0.26MPa，注浆效果很不好；其他经单轴加载的试块裂隙较多，固结效果则很显著。单轴加载破坏后的试块主要有两种裂隙：垂向张裂隙和倾斜裂隙，其中倾斜裂隙一般都可注，垂向裂隙中存在大量的微裂隙，仅有部分可注。明显注入浆液的裂隙个数与强度恢复系数愚值对应如表2.9所列。表2.9试块受浆裂隙个数与强度恢复系数七的关系岩性砂岩砂岩砂岩砂岩砂岩泥岩泥岩泥岩粉砂岩泥岩砂岩泥岩受浆裂隙个数54687788111088"11i/%3.595.395.957.928.85913.415O175186215?9?注入浆液的裂隙是开度较大的宏观裂隙，代表了岩块的结构特征，其个数基本反映了岩块的破裂程度和破裂后的赋存状态。有如下规律：一般随裂隙个数的增加，愚值增加；泥岩较砂岩岩性软，微小和不规则裂隙多，它们常常不进浆，影响五值的增加幅度；固结体破坏时一般倾斜裂隙都张开，但仅有部分垂向注浆裂隙破坏，块体主要分为三到四块，较注浆前完整性有所改善。因此，岩块的破坏状态是决定注浆效果的关键因素，在注浆的实际应用中，应把握这一特点。巷道围岩注浆加固时，掘巷初期，围岩破裂面较少，岩体相对完整，注浆效果不会好；滞后过长时间注浆，裂隙过于发育，必然存在大量微小不规则裂隙不受浆，注浆效果也不可能好。另外，这里仅考虑五值的变化规律，而没有分析其强度的绝对值，如前所述，注浆固结体的强度很大程度上依赖于原岩体的强度，而原岩体的强度是随破珠的发展而降低的。由此可见巷道围岩注浆的时机是一个十分复杂的问题，必须综合考虑。岩体裂隙的分形规律研究表明岩体裂隙的分布具有自相似性，因而考察岩块破裂面密度与愚值的关系可以进一步定量研究注浆固结规律，指导巷道围岩注浆时机等参数的设计。二、注浆材料对注浆效果的影响由于水泥类材料（包括高水速凝材料）与岩体的相对较低的粘结力，注浆固结体仍为含弱面的岩体，其强度仍不同程度地低于完整岩石，一般仍沿原存在的某一破裂面发生剪切破坏。当一种注浆材料确定后，影响材料性能的主要参数是水灰比，它对注浆效果有两方面的影响：①强度方面，随水灰比增加，浆液固结体的力学性能降低，必然影响到固结性能；②渗透性，随水灰比增加，浆液的渗透性能增强，颗粒效应减弱，浆液能够注入到更微小的裂隙中，显然有利于对岩体的固结。它们是相互制约的，目前常用的普通水泥类材料很难全部满足，高水灰比时结石率较低，因而一般水灰比不能超过1：1。而这种较低水灰比条件下，浆液的流动和渗透性能常常不理想，高水速凝材料则在较高水灰比条件下同时满足强度和注浆性能要求，综合性能较好，具体分析见第五章第二节。从实验结果看，当高水速凝材料浆液水灰比为2.0：1时，忌值最高，这种浆液的渗透性较好，固结体强度也较高。三、注浆压力对注浆效果的影响注浆压力是克服浆液流动阻力，并将之压注入岩体裂隙中的动力。水泥类悬浮液的粘度相对于真溶液是较大的。当裂隙开度较小时，岩体渗透性能是较低的，因而只有较高的注浆压力才能保证一定的注浆效果。但注浆压力过高将会导致岩体破裂面的进一步发展，破坏岩体本身的强度和承载能力。因此注浆压力也和浆液水灰比一样，存在一个合理的值，过大过小都不合适。从实验结果看，0.8MPa的注浆压力就能保证注浆效果。实际上，注浆效果是受几个因素共同制约的，不服从简单的线性关系。不同的岩性，不同的裂隙发育状态和破裂形式，对注浆压力和浆液配比要求不同，应该具体问题具体分析。由正交实验结果多因素分析可见：泥岩在注浆压力为1.2MPa、浆液水灰比为2.0：1时效果最好；砂岩在1.2MPa的注浆压力、2.0：1的水灰比时效果最好。这是由于泥岩破坏时裂隙较砂岩多，但裂隙尺寸相对较小，浆液稀一点有利于渗透，使更多的裂隙得到固结，强度提高较多；砂岩破坏时，裂隙较少，但尺寸较大，浆液本身的固结强度相应更加重要；煤破坏时，裂隙较多，煤体的强度又较低，因而较低的注浆压力和中等的浆液配比对注浆效果较有利。实I示上，水泥类浆液用于巷道围岩滞后注浆加固时，其注浆过程是十分复杂的，存在着颗粒效应、流变效应、偏流效应和劈裂效应，同时浆液在凝结固化过程中还可能和岩体发生复杂的相互作用。这些因素使巷道围岩注浆技术中的很多问题难以从理论上定量分析。大量的文献都指出注浆可以有效加固岩体，并能改善岩体的力学性能，但由于用于比较的岩体力学指标概念不明确，或条件不同，常常不具有可比性，或结果相差悬殊，或工程意义不明确。本章根据巷道围岩的实际赋存状态设计实验内容，明确指出注浆主要是加固和改善破裂后（对应于岩块实验的残余段）岩体的力学性能，便于科学地分析比较注浆效果，也为巷道围裂隙岩体注浆渗透规律虽然，目前岩体结构理论模型较多，但大多集中于多孔介质模型的研究，而注浆过程中浆液的渗透受浆液中水泥颗粒的限制，一般不能渗入岩块的孔隙中，而主要通过裂隙进行渗透，因此，岩体结构模型中适用于裂隙岩体注浆的理论模型不多。二、注浆渗透理论概述近几十年来，国内外学者对渗透注浆法进行了广泛而深入的研究［58,59,60,61］，发展了一系列注浆渗透理论。其中有马格理论（球形扩散理论）、柱形扩散理论、卡罗尔理论、单平板裂隙注浆渗透模型（刘嘉材）、Baker公式和G•Lombed公式等。马格理论是以钻杆端部为注浆点的各向同性渗透注浆理论，并给出了注浆压力、注浆时间、扩散半径和注浆量之间的关系，但是马格理论假设被注介质体为均匀各向同性体，浆液在地层中呈均匀球形扩散，因此很难适用于复杂的岩体工程。柱形扩散理论是以注浆管体的一部分作为注浆段的各向同性渗透注浆理论，浆液呈柱形向四周扩散，从而推导出注浆时间、扩散半径、注浆压力以及注浆量之间的关系，但它与马格理论相似，具有同样的假设，因此也很难应用于复杂的岩体工程。目前，国内注浆工程中经常用的注浆浆液主要有化学类注浆浆液、水泥类注浆浆液、粘土类注浆浆液，等等。但从流动特性上来分，大多数注浆浆液都具有非牛顿流体特性，这些理论大多是基于单裂隙模型、建立在牛顿流体稳定渗流的基础上，不能真实地反映裂隙岩体注浆渗流过程的非稳定特性和非牛顿体特性。注浆工程中注浆参数的选取至关重要。围绕着注浆参数的选取，国内外开展了一系列的注浆模拟试验，企图建立各注浆参数或注浆施工控制参数之间的内在关系，并且也得到了一些注浆参数的经验公式。但是这些试验基本上都是在散体或单裂隙岩体模型的基础上进行的，忽略了岩体结构的复杂性和浆液流动性能变化的影响，因而和实际工程有较大的距离。(1)苏联曾在实验室中进行了细砂层中浆液扩散参数的实验研究。试验过程中以定压力为注浆条件，得出了注浆压力、浆液流量、渗流速度、注浆时间以及浆液扩散半径之间的关系：R一283.82p~〃。3MO.。。卢一。・83to・。。Q:1.564.5pl-OgM~-43FIL。。(3-1)V—618.6p1.OgMO-4sF-1.。。式中R——扩散半径(cm)；t注浆时间(min)；户——注浆压力(MPa):户——浆液粘度(MPa-s)；Q——浆液的注入量，(L/h)；M砂子的粒度模数，M—2.555XIOZK。奥地利(1995)进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟试验。试验中采用三号誓不粤的模型，第一种模型是将浇筑后的2mX1mX1m的混凝土妄鬲藉彗笔杰萱梦其劈裂，然后利用劈裂后的裂缝进行注浆模拟试验，建立了注浆茹量、注浆压力及渗透距离之间的关系；第二种模型是利用两块直径为1.4m、厚望.！。？m的混凝土块构成模拟裂隙，并在模型的中间钻孔进行注浆，使浆液在霉譬!昱轴对称流动，并测得了不同间距下裂隙流量、注浆压力及浆液粘度乏蒿竺关系：第三种模型是用两块0.3m厚的钢板拼成裂隙，并在给定的粗糙度下：建立J祖糙度对注浆流量及浆液扩散距离的影响。国内在研究注浆参数方面也开展了一系列的注浆参数模拟试验。.。.中国水利水电科学院研制开发了平板型注浆试验台，建立了牛顿流体在水三誉望裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径和注浆压力、浆液粘度以及釜策爵。R一J.0.093(pv—"po)—t3Zr—~o~zl+ro(3.2)式中R——扩散半径(cm)；加——注浆孔压力(kPa):Po—裂隙内地下水压力(kPa):t——注浆时间(s)；d——裂隙张开度(cm)；ro注浆孔半径(cm)；/1——浆液粘度(MPa-s)。.•奎北大学开发和研制了槽型反扁圆柱状试验台，并用它研究了多孔介质体中注浆时浆液渗流过程的压力分布及其随扩散距离衰减的规律，得出了”尺一8・7〃'‘9KO.。。‘‘/10~-‘‘‘。〃°9TO_324OhO.27。。(3.3)式中R——浆液的实际扩散距离(。m)；户——注浆压力(MPa)；K——被注介质的渗透系数(m/d)；/Zo——浆液的初始粘度(MPa.s)；‘t注浆时间(s)；T——注浆墀胶时I司(s)；h——注浆段高(m)。综观国内外专家的试验装置及其试验结果，大多是基于单裂隙或多孔介质体中的注浆渗流规律试验。作为注浆基础理论的研究是非常必要的,但距离复杂的现场地质条件较远。此外，还需要进一步摸索复杂岩体结构中的注浆渗流规律的模拟试验。第四节注浆参数选取的影响因素分析由于注浆过程中影响注浆浆液分布规律的主要因素是裂隙的赋存规律、注浆压力和注浆材料，这里以注浆渗透半径作为注浆参数，分别从以下几个方面进行分析：一、裂隙参数对注浆参数选取的影响［6。‘裂隙参数包括裂隙密度、裂隙张开度、裂隙方位和裂隙迹长。随着裂隙密度的增加，各位置点的最大可能渗透范围也在增加，而且大渗透范围出现的概率增大，小渗透范围出现的概率减小，并且各位置点的各个渗透范围出现的概率趋于相同，渐渐呈现各向同性的性质。当裂隙密度较大时，其变化对渗透范围的分布影响趋于减小，同时随着裂隙密度的增加，注浆渗透半径的选取的可靠度增大，并且在同一分布密度下，注浆渗透半径选取的越大，其可靠度越低。裂隙张开度是控制单个裂隙渗流过程的主要因素，因而对整个裂隙网络的渗流过程也起着重要的影响。注浆渗透范围和裂隙张开度的均值有密切关系，张开度的均值越大，注浆渗透范围越大，并且注浆半径选取的越大，注浆渗透半径的可靠度越低。由于裂隙渗流的单向性，裂隙方位对裂隙岩体的渗流过程也起着重要影响。裂隙方位的方差越小，各位置点的可能渗透半径的差别越大，各注浆参数的可靠度也越低。当方位角等于60。时，各位置点上的可能渗透半径的分布较接近，并且此时注浆参数的可靠度较大。裂隙迹长影响着裂隙网络的模式，并最终影响着注浆渗流过程中浆液的分布，裂隙迹长的均值越长，各位置点最大可能渗透范围越大，岩体各位置点的渗透范围趋于均匀，各向同性增强。裂隙迹长的方差越大，各位置点的大渗透范围的概率增加，小渗透范围的概率减小，各向异性减弱。随着裂隙迹长均值的增大，所选注浆半径的可靠度也随之增大，而且相比于裂隙密度和张开度，其增幅较二、浆液的流变特性对注浆参数选取的影响浆液的流变性对注浆渗流过程有着重要的影响，并制约着注浆参数的选取，包括初始剪切屈服强度、初始粘度以及流变参数口的影响。随着流体初始剪切屈服强度的增加，各位置点最大可能渗透范围有所减小，但减小幅度很小，另外所选注浆半径的可靠度也逐渐降低。但随着浆液流动指数的增加，各位置点的最大可能渗透范围迅速减小，所选注浆半径的可靠度也很快下降。随着初始粘度的增加，各位置点的最大可能渗透范围减小，所选注浆半径的可靠度也逐渐下降。三、注浆压力的影响注浆参数不仅受岩体裂隙参数控制，同时也受注浆施工等外部因素的限制，其中注浆压力就是一个很重要的因素。注浆压力对注浆参数的选取有影响，但影响不如其他因素，并随着注浆压力的增大，注浆参数的可靠度增大。浆液的人渗过程是和岩体应力场密切相关的，一方面浆液的入渗势必扰动岩体的原有应力场，另一方面，变化的应力场会引起裂隙的张开、闭合甚至扩展，改变浆液的入渗路径和入渗量，因此浆液在渗流过程中是和应力耦合的。最为重要的是，当注浆压力过大时，有可能引起裂隙的扩展和注浆垫层的破坏，导致注浆过程的失败，因此确定应力耦合条件下浆液的渗流过程及注浆极限压力是十分有价值的。根据单裂隙渗流与应力耦合模型［67,683，可建立裂隙网络渗流与应力耦合模章巷道滞后注浆围岩稳定性分析本章围绕巷道围岩的渗透性能分析滞后注浆的科学性，对注浆加固岩体参数与巷道围岩变形与稳定的力学过程进行分析，并应用FLAC数值计算程序模拟巷道浅部围岩注浆对围岩变形和位移的影响，以进一步揭示注浆机理。第一节软岩巷道围岩的滞后注浆方式一、注浆方式的确定1.巷道围岩的渗径结构巷道围岩的裂隙主要有两种来源：开挖前岩体中已存在的弱面，包括岩体形成过程中产生的层理面、节理面、不整合面和软弱夹层，以及岩体形成后在地壳运动过程中产生的构造裂隙，这种裂隙在沉积岩中以缓倾斜分布为主，从宏观上控制着巷道围岩的稳定性；巷道开挖及工程扰动产生的新裂隙，由于应力状态的变化和集中应力的产生，必然导致巷道周围岩体破裂，这些破裂面与原来的裂隙一起构成渗流通道，直接影响巷道围岩的稳定性。软岩巷道原生书理裂隙发育，岩块强度较低，巷道周边浅部围岩产生大量的新的破裂面，形成交错的裂隙网络，这部分岩体的渗透性能比完整岩体大3〜4个数量级，是巷道围岩注浆的主要区域。从井下试验看，宿县矿区巷道围岩主要有两种类型：碎裂结构及散体结构。相应地存在两类渗径结构：一类是由各种破裂面组成的裂隙网络及其包围着的各种不规则岩块构成；另一类是由经过一定程度变形的含大量细小裂隙的松散煤体构成。统计原生岩体表面裂缝宽度通常在10〜200pm之间变化，最常见范围是10〜40pm，张开度通常小于100呻，即O.1mm；岩石内孔隙、裂隙尺度约在10-4〜1mm之间，按量级分为大中小及微孔，可见孔大于1mm，煤层原生裂隙宽度约在10-4mm左右。而巷道围岩破裂面开度随围岩变形而发育，其尺度可达到数个毫米，这就是水泥类浆液能够注入巷道围岩的一个重要原因。从水泥类浆液在巷道围岩中的渗流情况分析，浆液或是沿各种宏观张开裂隙流动，或是劈开松散中的细小裂隙形成渗流通道。2.巷道围岩的渗透系数立方定理近似地描述了两侧壁光滑平直、法向应力较低、张开度较大且无充填物的裂隙渗流规律。巷道围压经过一定程度的变形后，其浅部围岩裂隙表现为低围压约束的宏观张开裂隙，显然不存在充填物，因而适用于立方定理，裂隙面的粗糙和起伏程度可以采用系数修正，由此可建立单个裂隙的渗透系数(Louis):Kf=岛一flpgb2/12Zc(4.1)式中卢——裂隙内连通面积与总面积之比；P——浆液密度；〃——粘滞系数；g重力加速度；b——裂隙开度；c——裂隙内粗糙度修正系数。一组平行裂隙的渗透系数：Ki=flpgb3/12,ucd(4.2)式中d——裂隙间距。由于岩体应力分析是基于连续介质假定，裂隙的渗透性能也必须采用流量相等的原则均化到岩体中去，才能进行渗流与应力耦合分析，因而一般采用等效连续介质模型口引。以立方定理为基础，忽略岩块的孔隙系统，把岩体单纯看作按几何规律分布的裂隙介质，考虑裂隙的大小、形状和位置等，用裂隙水力参数或几何参数来表征裂隙岩体内的渗流，并进一步将随机分布的裂隙用S组优势裂隙面代替，当各组裂隙面均为无限延伸时，Snow及Pomm求出等效连续介质的渗透张量：如一蚤胜12/ab~c(如一咒j卅)(4.3)式中掰“——第匚组裂隙的法向方向余弦，br——第匚组裂隙间距。对上式进行坐标变换可以求出主渗透系数及渗透主方向。巷道围岩的裂隙有一个随围岩变形而发育的过程，裂隙在空间的展布情况可通过测线测量法来确定，其基本思路是在巷道围岩暴露面上布置一定方向的测线，测量与测线相交的裂隙开度、产状及裂隙在测线的位置，可以进行裂隙面产状、裂隙开度、裂隙间距的测量和统计。权台矿3116上分层回风平巷掘进迎头后方巷道围岩裂隙参数分布统计情况如图4.1所示。巷道开挖后围岩裂隙参数和围岩变形密切相关，并随时间空间不同而不第五章巷道滞后注浆技术第一节巷道围岩滞后注浆加固参数设计国内外注浆工程设计和施工主要依据经验类比法，大型注浆工程一般都开展尽可能模拟现场实际条件的注浆试验或原位试注浆以确定注浆参数并进行施工设计，这种方法是行之有效的。但也反应出注浆理论尚处于发展的初级阶段，技术、工艺等方面都存在不能确定的因素。理论成果还不能满足现阶段注浆工程的实际需要，究其原因主要有以下几点：裂隙岩体的渗流问题在理论和实践上都比多孔介质渗流复杂得多，目前的主要研究方法为室内平面裂隙或裂隙组的模拟实验，已有的理论成果也主要是引用裂隙水渗流动力学，许多理论问题尚未得到解决。注浆工程是一个复杂的系统工程，裂隙的性质、分布特征和规律难以准确定量把握，注浆介质结构复杂，客观上很难定量分析各因素之间关系。由于注浆前的准备工作(工程地质勘查、实验室实验等)及施工过程中的监测工作得不到应有的重视和实施，在开展设计和施工控制时缺乏所需的足够的信息量。施工操作尚无统一明确的标准和规程，带有随意性，注浆效果难以保证。不同注浆工程有不同的特点，进一步增加了研究的难度。煤矿地下巷道一般为维护期有限，相对于地面大型的岩土工程服务时间较短的工程，特别是采准巷道是维持正常生产的常规巷道，一般仅有数年维护时间，客观上要求维护技术简单实用，支护费用少，施工操作方便。因此需针对巷道围岩注浆的特点，研究巷道围岩滞后注浆技术，一方面弥补理论研究的不足，另一方面掌握该技术以便于推广应用。巷道围岩注浆是一种在巷道开掘后作业的滞后注浆技术，是在巷道围岩变形过程中但尚未稳定时进行的，是为巷道维护提供更好的围岩条件。考虑围岩变形的动态影响是这一技术区别于一般注浆技术的主要特征。因而注浆参数包括加固时机，即滞后注浆加固时间；与围岩破坏及变形对应的注浆深度和注浆加固体强度；以及注浆孔间排距、注浆压力等与巷道围岩裂隙渗透性能相关的注浆参数。一、注浆压力的确定巷道围岩滞后注浆加固应符合注浆压力有限的原则，采用控压注浆的方式进行。关键是合理注浆压力的确定、正确的注浆施工工艺及注浆泵的工作性能。巷道围岩滞后注浆时，注浆压力主要受开挖后的二次应力场影响，与巷道埋深并不直接相关，因而不能采用基于埋深的压力公式；由于巷道围岩的裂隙是相对干燥的，显然注浆压力与静水压力关系不大。因此巷道围岩注浆加固时，注浆压力具有特殊的规律性，不同于一般的岩土注浆工程。巷道围岩注浆压力主要取决于围岩的渗透性能和浆液性能，设计的渗透范围等。注浆压力高有利于浆液渗透，减少注浆孔等工程量，但有可能破坏围岩的整体结构，造成漏浆。采用滞后注浆方式时，要求注浆深度有限，岩体有明显的裂隙，注浆压力一般不超过2MPa，围岩裂隙发育严重破碎时一般不超过1MPa，裂隙开度较小时可采用l〜2MPa。如果岩性软弱，应控制注浆压力不超过抗压强度的1/10，以防产生劈裂面，对于渗透性能较差的岩体，应采用加密注浆孔的办法解决，不能仅靠提高注浆压力来解决问题。这里对巷道围岩注浆时的劈裂效应作一简单解释。当钻孔内施加注浆压力后，由于岩石的初始应力和抗拉强度被注浆压力克服，从而发生有利于可注性的水力劈裂，它首先发生在垂直于小主应力的平面上。巷道周围破裂岩石内存在大量的破裂面，裂隙尖端极易在注浆压力作用下进一步破裂，产生劈裂效应。实际情况可能是张开度比较大的宏观裂隙容易受浆，其尖端进一步破裂；而相对张开度较小的裂隙由于粒度效应等原因不能进浆，同时裂隙两侧结构体受到挤压而进一步闭合。因此从巷道围岩加固来说，采用相对较低的支护压力，使浆液在裂隙中流动，尽量不破坏裂隙岩体的原有结构，以避免大范围的劈裂现象，但同时允许一定程度的劈裂效应，以提高岩体的可注性和注入浆液的总量，并改善细小裂隙（未注入浆液的）的受力状态，使其趋向闭合，而从提高围岩强度。另外松散煤体的裂隙多为细微裂隙，水泥类浆液在低水灰比下很难渗入，只有通过劈裂效应产生相互贯通的渗径结构，才可能通过注浆固结松散煤体。井下实验表明这种劈裂效应在低压下即可以实现，一方面形成渗流通道，另一方面将通道周围煤体内的裂隙压密，从而达到提高围岩强度的目的。统计工程实例，巷道围岩注浆压力差异较大，本书提供的注浆压力一般低于同类注浆工程，原因有两个：①明确提出滞后注浆方式，并选择合理的注浆时机，在围岩渗透系数最高时实施注浆；②选用高水速凝材料作注浆液，与普通水泥材料相比，低粘度和良好的流动性可以大大降低注浆压力。这对于注浆加固巷道围岩是十分有利的。二、注浆加固深度和注浆孔深1.支护强度支护强度主要取决于稳定巷道围岩所要求的固结圈厚度。滞后注浆稳定巷道围岩主要是通过对浅部破裂区岩体的注浆固结，促使其形成承载结构，从这个意义上说，固结圈厚度越大越好，其承载能力与半径的平方成正比，可以较大幅度地提高支护强度。但固结厚度过大，围岩的径向变形刚度则很大，载荷快速增加，适应围岩变形的能力减小，经济上也不合理；同时较深部围岩的渗透性能很低，破坏较小，难以实现有效注浆固结。软岩巷道维护一般强调在支让平衡中实现围岩稳定，同时矿井巷道特别是其中的采准巷道维护周期相对较短，不需要完全控制围岩变形，允许有一定的变形量，因而固结圈厚度可以适当减小。2.破裂岩体的固结效果根据巷道围岩的破坏特点及应力状态依次可分为三个区：破碎区，包括周边松散及残余阶段岩体，此区可见宏观裂隙；峰后强度区岩体，围岩处于极限平衡状态，已发生不同程度的塑性变形，裂隙张开度较小，不甚发育；弹性区。破裂岩体注浆固结实验表明，注浆固结体的强度主要取决于被注介质性质、浆液性能和注浆压力，其中被注介质的块体强度和破坏程度是最大的影响因素。而具体到一个注浆工程，岩性是确定的，注浆固结体强度主要取决于围岩的破裂程度，随破裂程度的增加，固结效果越趋明显，残余破坏段岩体的固结系数可达1.5。而破裂面较少的岩体注浆固结作用甚微。由此可见破碎区注浆固结效果显著，容易实现注浆，峰后强度区裂隙小，应力水平较高，渗透性能差，且注浆效果不明显。因而，仅就注浆效果而言，注浆深度应深入破碎区达到峰后强度区边缘较合适，这样可以保证破碎区围岩的充分固结。.浆液在径向扩散的性能由于裂隙张开度在径向由表及里是逐渐减小，而围岩应力是由表及里是快速增加的，因而巷道围岩在径向的渗透性能呈负指数规律快速衰减，即浆液向围岩内部渗透性能很弱。因而为保证注浆效果，注浆孔深设计应基本与加固深度相同，可不考虑向内的渗透距离，实际注浆巷道的翻修证实浆液主要沿注浆孔向两侧及围岩表面渗透。综上，注浆加固深度的确定归结为巷道围岩的破碎区范围的确定。一般可用声波测试围岩的破碎区范围或用多点位移计观测分析围岩的破碎区范围，也可以用经验公式估算裂隙发育区半径。根据资料，30d裂隙发育区半径的相对比值有如下关系：顶板（与巷道半宽比）：n30=0.94+1.55YH/bC两帮（与巷道半高比）：Lb=0.87+1.27YH/arC式中。「一一顶板及两帮岩石的单轴抗压强度。C经验表明，一般效果明显的注浆深度不超过1.0〜1.5m,这个加固深度即可以实现巷道围岩的稳定。为保证该范围内的围岩得到有效加固，一般注浆深度设计为2.0〜2.5m,进一步加大注浆孔深作用甚微。煤矿的实际情况表明，注浆孔设计超过2.5m，常规的施工机具也难以完成。三、注浆孔间排距巷道围岩裂隙渗流存在各向异性、不均匀性和方向性，用渗透半径或扩散半径来描述浆液的扩散范围已不能反映实际情况，也不能说明问题的本质，用不同方向的扩散距离更适合。层状裂隙岩体中节理和原生裂隙的方向性是十分明显的，其主导裂隙常被一些次要裂隙切割，巷道开挖后产生新的破裂面，进一步形成裂隙网络，弱化了裂隙的方向性，但其渗透能力仍是各向异性的，因此注浆孔的间排距设计必须考虑不同方向的扩散距离及浆液的偏流效应。裂隙水交叉流具有三个水力特性：偏向、裂隙3和6两方向上水流阻力效应不等、偏流，因此不能将裂隙岩体视为单个裂隙的组合，而应看成是单个交叉裂隙的组合。不考虑偏流效应所进行的分析和预测与实际情况相差较大。在隙宽不等的交叉裂隙中，裂隙水过交叉时因为偏向而在a和6两方向上出现不等的局部阻力效应，是偏流形成的机制。实验表明宽缝及窄缝的进水量分别与各自的泄水量不等，在某种条件下偏流现象十分剧烈，以致窄缝进水量过交叉后，几乎全部偏向宽缝流走。由于存在变形的临空面，巷道围岩裂隙中垂直于轴向的开度往往较大，并向围岩内部衰减，使围岩裂隙网络中的交叉裂隙具有明显的倾向。这种分布特征，将导致绝大部分浆液沿宽裂隙在轴向上流动，其他方向渗流较少。实践中常常能观察到浆液沿某一条或数条大裂隙沿巷道轴向流动很远，而钻孔附近及大裂隙附近未进浆或仅有少量进浆的现象。因此必须考虑交叉流效应导致的注浆渗透范围的极度不均匀现象，以便调整钻孔布置和注浆施工顺序，以保证注浆效果。综上所述，浆液流动有如下特征：浆液沿进浆裂隙扩散，受裂隙的方向性限制而不能超越于裂隙之外；随裂隙开度不同有不同的扩散距离；存在偏流效应，浆液在非主要裂隙方向的渗透能力较低，即浆液在两个方向上渗透距离相差较大。随着应力增加及岩体的破裂程度减弱，围岩在径向的渗透性能衰减很快，因而浆液的渗流主要表现为沿注浆孔底向周边围岩扇形渗透，向更深的围岩内部渗透很弱，设计时可以不考虑这个因素。采准巷道一般是顺层布置的，根据沉积岩的裂隙分布规律，在一般情况下必有一组主导裂隙的延伸方向与巷道轴线成锐角，因而巷道轴向的渗透性能常常是比较强的，注浆孔排距可以适当加大。实测表明，巷道表层轴向渗透距离可以达到2.0〜3.0m，设计注浆孔距应使两个注浆孔的渗透距离有一个交叉，可以取0.65〜O.75的系数，即注浆孔排距一般为1.2〜2.2m。为施工和操作方便，注浆孔排距常常设计为锚喷支护锚杆排距或金属支架中棚距的整数倍，一般处理为2〜3倍。注浆孔间距除考虑裂隙的渗透性能外，还受巷道形状，围岩不同部位的破裂程度等因素影响，10m2。左右的巷道全断面注浆加固时一般需6〜8个注浆孔。可按如下原则根据实际情况调整：主要裂隙间网状结构的发育程度，发育良好的可以采用较大的间排距，反之则要加密孔间距；注浆孔与主要裂隙间的交叉关系，对主要裂隙面的控制程度高，可以减少注浆孔，反之需要加密；适当增大注浆压力，延长注浆时间，可以增加注浆量，减少注浆孔。四、注浆加固部位的设计注浆加固部位可分为全断面加固和局部注浆加固，根据需要和可能选取。全断面注浆加固对控制围岩稳定性最有利，但施工复杂；有些围岩条件下巷道帮角以上部位注浆几乎不可能，比如，松散煤体注浆由于煤体过于松碎，且无法通过喷浆形成注浆垫层，只能采取特殊手段加固两帮底角及底板。侯朝炯教授根据煤层巷道层状岩层的赋存状态和矿压显现特点，提出加固帮角控制底鼓，进而控制围岩稳定性的理论，已为广泛的实践所证实，也为我们局部加固巷道围岩提供了理论依据。该理论认为：巷道两帮煤体强度一般都远低于顶底板岩层，因而其破裂范围远大于顶底板岩石，在围岩承载结构中表现为最弱的部位。而上覆岩层的重力是通过两帮传递到底板的，这样两帮的大范围破坏必将导致底板压曲变形的显著增加，可以认为两帮的稳定性对围岩的整体稳定性影响最大，对支护作用也最敏感。事实上，煤巷多为矩形，帮角在开掘卸载后是应力集中点，围岩塑性区从两帮开始发展，当底板岩层强度也很低时，塑性区从两帮和底角开始，最终也以两帮最大。加固帮角可直接提高其强度，同时可有效地使该处围岩的应力集中程度降低，避免帮角过早破坏而引起巷帮及底板的较大变形。另外加固帮角在工艺及施工技术上比直接处理底板更易于实现。因此加固两帮及底角等关键部位是控制围岩稳定的合理支护技术，它反映了层状岩层中软弱煤体巷道维护的一般规律。三.巷道围岩滞后注浆施工控制技术在注浆工程中，只有采取正确的施工控制技术，才可能对注浆的过程作用进行有效的控制，取得预期的效果。由于注浆过程中浆液运动状态存在着复杂的展开方式，其影响因素和条件错综复杂，因此研究与巷道围岩滞后注浆相适宜的施工技术是很重要的。对注浆材料、注浆方法、注浆参数设计和施工工艺等因素进行选择并优化组合，以保证注浆加固质量，使注浆工程效果和经济效益整体最优。巷道一般是临时性或半永久性工程，注浆的目的是控制围岩有限的变形，在服务期间内能满足要求即可，与大型岩土注浆加固工程相比，控制变形的要求大大降低，相应的施7-I艺应简单实用，费用低廉，才可能作为巷道维护的一个常规手段推广应用。一、施工控制的基本原则.限制压力的原则注浆压力是克服浆液自身的流动阻力，并提供浆液在裂隙中扩散、充填和压实的动力。注浆压力对浆液扩散的影响最显著，理论研究表明提高注浆压力可以较大幅度地扩大注浆范围，显著减少工程量。但巷道围岩特定的结构，使得不可能完全按照浆液的渗透距离来设计注浆孔间排距，围岩的渗透性能常常是富余的，利用提高注浆压力来扩大注浆范围实际意义不大，当然在允许的范围内提高注浆压力是可供选择的最经济的措施。从巷道围岩系统看，限制注浆压力的原则可用如下公式表达：P=p0+min(p1,p2,p3)式中Po——浆液克服管路中的流动阻力所必须的压力，MPa；Pl——浆液扩散要求的注浆压力，克服裂隙中的渗透阻力，并保证一个合理的渗透距离，MPa；P2——注浆垫层限制的压力，MPa；P3——控制漏浆要求的注浆压力，MPa。常规支护中砌碹能形成较好的止浆层，但该种支护已较少采用；巷道围岩一般不可能形成完整的注浆垫层，难以避免漏浆，注浆孔封孔深度是有限的，在破裂岩体内封孔其强度也是有限的，而巷道围岩向巷内表层其渗透性能提高很快，因而注浆压力不宜过大，以免破坏巷道表面的垫层，导致大量的漏浆。通常在注浆前，巷道表面喷混凝土层封闭岩面，既作为注浆垫层，又防止漏浆，但实际上很难保证喷层完整，因而漏浆是必然的。除了改善浆液的性能，提高凝结时间，调低注浆压力对防止漏浆才有明显作用。注浆压力还受到注浆系统的压力一流量特性曲线和工程条件限制。.浆液扩散的有效性原则‘巷道围岩注浆过程主要是裂隙网络中浆液的渗透过程，而裂隙是有方向性的，因而围岩渗透的各向异性十分明显，很可能在某个方向上浆液流动很远，而在另一方向上渗流很不充分。用扩散半径来描述常常不能说明浆液流动的实质，因而应区分不同方向的扩散距离，并指导注浆孔的布置，以便均匀注浆。即使在渗流较充分的方向上，仍要分析偏流效应的影响，仅沿某个或某些贯通的主导大裂隙流动，仍不能达到注浆固结的效果。只有查明裂隙分布特点，突出渗流主向和渗透性能对注浆效果的影响，把握有效注浆的范围，才能实现加固的目的。二、施工控制技术1.调压注浆控制注浆过程首先必须保证一定的注浆压力，这是实现注浆的基础，但应采取有利于减少注浆压力的技术和措施，以尽量降低注浆压力，适应巷道围岩注浆的特点。对于松散围岩，可选择调压注浆技术，即低压浅孔初注，首先固结巷道周边破裂岩体，待浆液固结后，在该区钻深孔调高压力复注，充分利用已固结区形成的注浆垫层。.优化注浆孔布置根据裂隙的分布特征，沿巷道内主导裂隙面的延展方向浆液渗透距离远，注浆孔排距可适当加大，与主导裂隙面垂直的方向浆液渗透距离小，宜适当加密注浆孔。.选择合理的注浆顺序浆液沿某方向渗透较远，并不一定能形成有效的注浆范围，由偏流效应知，只有大裂隙注入浆液后，小的裂隙才可能得到较好的注入。沿主导裂隙间隔注浆，交替进行，可以保证浆液在整个围岩的充分加固。.采用复注浆技术由于某种原因一序列孔常常难以保证有效的全面加固，采用复注浆可以在主要裂隙加固后，注浆固结一些死角。.选择合理的注浆系统和注浆设备巷道围岩注浆过程产生的浆液阻力是一个逐渐增加的过程，初期注浆量大，阻力小，后期注浆量小，阻力大，要求注浆泵的工作特性与之匹配，以保证浆液的顺利注入。逐渐衰减的注浆压力不利于浆液的渗透，不断提高的注浆压力不利于注浆过程的控制，对安全也有影响。具有定压调量工作特性曲线的注浆泵能够满足巷道围岩注浆的需求。注浆系统一般应选择便于控制的双液注浆系统。.开展注浆监测监控巷道围岩注浆是一项隐蔽工程，必须进行必要的监测监控。常规的检查手段是钻孔注浆检查注浆量，或声波检测注浆体工程质量。文献提出定常能量法，认为注浆量与注浆压力的乘积是一个相对稳定的值，可作为注浆的施工和检测标准。实际上定压调量的注浆泵已满足这一点，但使用该种注浆泵并不总能保证注浆效果。实践中发现巷道不同的区段，同一断面的不同注浆孔位对注浆量和注浆压力的要求都是不同的。由于注浆过程的复杂性，还很难形成统一的注浆监测标准，随机钻孔注浆检查，当注浆量降低到正常注浆时的10%〜20%以下时，就可以认为注浆质量合格，根据工程特点和重要性确定具体的标准。第七章软岩巷道锚注分阶段加固技术巷道围岩滞后注浆与堵水、加固工程不同，它是滞后参与巷道稳定过程的一种支护方法。注浆前一阶段的围岩稳定性完全取决于其他支护手段，因而必须与其他常规支护相结合，研究他们之间的合理匹配。本章将滞后注浆加固技术进一步与高应力动压巷道的维护特点相结合，提出喷锚注分阶段支护技术，探