深部基巖地面預(yù)注漿模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析

馬道局

(國投新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001)

隨著20世紀(jì)80年代全國開始了大規(guī)模礦井開發(fā)，使得地面預(yù)注漿技術(shù)得到迅速發(fā)展。由于深部基巖注漿的隱蔽性的特點(diǎn)，注進(jìn)的漿液難以直接觀察，注漿的質(zhì)量效果往往依靠人們的技術(shù)熟練程度和正確的施工方法，難以保證注漿堵水及加固效果，注漿過程中遇到的一些實(shí)際工程問題不能科學(xué)有效的解決。為了能夠保證安全快速的施工要求，依托地面預(yù)注漿項(xiàng)目，采用模型試驗(yàn)方法，找出注漿規(guī)律，確定合理注漿質(zhì)量控制方案顯得尤為重要。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際，本試驗(yàn)根據(jù)埋深不同的巖性組合來進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)由不同埋深的巖石組成7種不同的模擬巖層。注漿材料水灰比m、注漿壓力p也選取7個(gè)值，各因素取值如表1所示。

表1 各因素情況表

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用3種因素(巖石滲透系數(shù)、注漿壓力、水灰比)7個(gè)取值的方式，按照表2，表3進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。由表3可知3種因素試驗(yàn)應(yīng)采用表2中第2，3，4列來安排試驗(yàn)，將采用的3種因素分別放在表3的后三列來安排試驗(yàn)。試驗(yàn)安排如表4所示。

表2 均勻設(shè)計(jì)

表3 均勻設(shè)計(jì)表的使用

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)分析

漿液擴(kuò)散半徑(R)、注漿體抗壓強(qiáng)度(P)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)注漿壓力(p)、注漿時(shí)間(t)、漿液水灰比(m)、巖石滲透系數(shù)(k)、孔隙率(n)分析，得出影響注漿漿液擴(kuò)散半徑(R)的因素排列順序由高到低的是:注漿壓力(p)、巖石滲透系數(shù)(k)、注漿時(shí)間(t)、漿液水灰比(m)。影響注漿后的巖石抗壓強(qiáng)度(P)的因素排列順序由高到低的是:漿液水灰比(m)、注漿壓力(p)、巖石滲透系數(shù)(k)、注漿時(shí)間(t)。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，注漿壓力必須滿足小于地層的起劈壓力，因此說漿液的最大擴(kuò)散半徑是由地層本身結(jié)構(gòu)決定的。從影響注漿后的巖石抗壓強(qiáng)度的因素可以看出水灰比則占有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樽{漿液是在不改變注漿巖層的原有結(jié)構(gòu)的情況下，漿液排擠出巖層孔隙中的自由水和氣體，增強(qiáng)注漿后巖石整體性。

2 數(shù)值分析

2.1 壓力及滲透系數(shù)變化分析

將不同的擴(kuò)散半徑、不同的初始漿液壓力以及不同的滲透系數(shù)之間模擬結(jié)果的比較來對(duì)巖層注漿機(jī)理進(jìn)行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)初始?jí)毫Φ拇笮〔⒉粫?huì)影響到漿液壓力分布的比例，在相同擴(kuò)散半徑的情況下較高的初始漿液壓力所產(chǎn)生的流速也較高，如圖1所示。

當(dāng)初始漿液壓力依然為0.04個(gè)單位，滲透系數(shù)變?yōu)?5的時(shí)候模擬結(jié)果見圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)的改變也不會(huì)影響到漿液壓力的分布，兩種不同的介質(zhì)中，漿液擴(kuò)散到同一半徑的漿液壓力隨半徑的變化是一樣的。

圖1 漿液壓力為4個(gè)單位的漿液壓力分布云圖

圖2 滲透系數(shù)為25個(gè)單位的漿液壓力分布云圖

2.2 擴(kuò)散半徑變化分析

1)漿液壓力為4個(gè)單位，擴(kuò)散半徑為5 m，滲透系數(shù)為2.5時(shí)模擬結(jié)果如圖3，圖4所示。

2)漿液壓力為4個(gè)單位，擴(kuò)散半徑為15 m，滲透系數(shù)為2.5時(shí)模擬結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖3 滲透半徑為5 m的漿液壓力分布云圖

圖4 滲透半徑為5 m的擬合曲線圖

圖5 滲透半徑為15 m的漿液壓力分布云圖

圖6 滲透半徑為15 m的擬合曲線圖

通過數(shù)值模擬可以看出，模擬滲透注漿如采用水泥等粘時(shí)變流體作為漿液，在擴(kuò)散半徑達(dá)到某范圍后，半徑會(huì)迅速達(dá)到最大半徑，這個(gè)半徑受巖石滲透系數(shù)，漿液特性，漿液流量等因素控制。

3 主要結(jié)論

1)影響注漿漿液擴(kuò)散半徑(R)最主要因素是注漿壓力(p)，最小是漿液水灰比(m)。擴(kuò)散半徑是由巖層原有結(jié)構(gòu)決定的，其次才是和漿液的性質(zhì)、注漿工藝參數(shù)有關(guān)。

2)影響注漿后的巖石抗壓強(qiáng)度(P)最主要因素是漿液水灰比(m)，最小注漿時(shí)間(t)。注漿漿液不改變注漿巖層的原有結(jié)構(gòu)，通過增強(qiáng)注漿后巖石整體性，提高注漿體強(qiáng)度。

3)本次數(shù)值模擬只是將不同的擴(kuò)散半徑不同的初始漿液壓力，不同的滲透系數(shù)之間的模擬結(jié)果進(jìn)行比較之后，對(duì)巖層滲透注漿的機(jī)理進(jìn)行了模擬分析，沒有考慮裂隙填充和劈裂注漿等過程。

4)地面預(yù)注漿是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性的工程，工序多且復(fù)雜，工期緊，質(zhì)量要求高，施工有一定難度。因此，應(yīng)加強(qiáng)施工組織與管理，不斷優(yōu)化施工設(shè)計(jì)，嚴(yán)把各施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)。

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