泥砂介質(zhì)注漿滲流通道形成力學(xué)機(jī)理分析

師皓宇，田 多，郭富貴，曹 健，呂 客

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊101601)

泥砂介質(zhì)注漿滲流通道形成力學(xué)機(jī)理分析

師皓宇，田 多，郭富貴，曹 健，呂 客

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊101601)

為研究在泥砂介質(zhì)中的注漿滲流通道形成機(jī)理，設(shè)計(jì)了注漿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知化學(xué)漿液在泥沙介質(zhì)中滲流的主要形式為柱形滲流和面形滲流兩種;在格里菲斯判據(jù)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了漿液形成滲流通道所需要的最小注漿壓力pmin;在滲流力學(xué)的基礎(chǔ)上分析了漿液在介質(zhì)中滲流的的壓力損失，得知漿液在滲流通道不同位置處的注漿壓力p1;當(dāng)p1＞pmin時(shí)，漿液將劈裂被注介

質(zhì)形成新的滲流通道;當(dāng)p1＜pmin時(shí)，漿液將停止劈裂被注介質(zhì)，該通道封閉。

泥砂介質(zhì);注漿;滲流通道;壓力損失

潰砂或水砂突涌是近松散層采掘時(shí)含砂量較高的水砂混合流體潰入井下工作面并造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡的一種礦井地質(zhì)災(zāi)害［1］。1987年以來(lái)，兗州、濟(jì)寧及徐淮地區(qū)等有100多個(gè)井筒遭受了嚴(yán)重的破裂變形和突水突砂災(zāi)害，造成數(shù)百億元的巨大經(jīng)濟(jì)損失，形成重大安全隱患［2-3］。注漿防滲和地層加固技術(shù)是用于治理破裂井壁及潰砂災(zāi)害的有效手段。注漿技術(shù)無(wú)論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上，都取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在著許多問(wèn)題，有待于深入研究和解決。目前，人們研究漿液在構(gòu)造面中流動(dòng)和在孔隙中滲透擴(kuò)散時(shí)均把漿液簡(jiǎn)化，這就導(dǎo)致了注漿過(guò)程中的理論計(jì)算與實(shí)際相差太大［4-5］。

1 工程概況

平朔井工一礦始建于2003年，現(xiàn)礦井主要開(kāi)采太西區(qū)的4#煤層。太西區(qū)大部分為41-2煤層分岔區(qū)，合并區(qū)域不到1km2?，F(xiàn)有生產(chǎn)工作面4106、4107、4108三個(gè)，均布置在太西區(qū)。4107回采工作面前方存在陷落柱X7;4108回采工作面前方存在陷落柱 X5。使得太西區(qū)4#煤層的4107、4108回采工作面開(kāi)采時(shí)，均會(huì)不同程度地受到影響，打亂生產(chǎn)布局，增加巷道掘進(jìn)量和煤炭損失儲(chǔ)量，使工作面易發(fā)生冒頂、潰砂、支架陷入底板甚至突水事故。

為實(shí)現(xiàn)安全高效通過(guò)陷落柱，擬對(duì)工作面頂?shù)装暹M(jìn)行注漿加固，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了泥沙介質(zhì)為充填物的陷落柱內(nèi)注漿滲流通道形成的力學(xué)機(jī)理。

2 注漿實(shí)驗(yàn)分析

2.1 注漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了模擬礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，設(shè)計(jì)具有一定的強(qiáng)度，能夠承受較大壓力的鐵筒作為注漿容器，將直徑50 cm、高度50 cm的容器，活動(dòng)型底部，中心預(yù)留直徑5 cm的注漿口的蓋子，綜合稱(chēng)為“ST-50型注漿試驗(yàn)臺(tái)”，如圖1所示。

圖1 ST-50型注漿試驗(yàn)臺(tái)

注漿過(guò)程中漿液和水在孔隙中的運(yùn)動(dòng)，是漿液和水(兩種流體)在慣性力和壓力、粘性力、重力等各種力的作用下綜合反映的結(jié)果。直接影響流動(dòng)的力是慣性力，流動(dòng)的變化，就是慣性力和主動(dòng)力相互作用相互制約的結(jié)果。該條件適用雷諾準(zhǔn)則，即要求模型和原型兩種流動(dòng)的慣性力和粘性力成比例，雷諾數(shù)相等，表示粘性力相似。凡流動(dòng)相似的流動(dòng)，必是幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的流動(dòng)。幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提與依據(jù)，確定幾何相似常數(shù)αL=10。根據(jù)變頭水滲透試驗(yàn)結(jié)果可知，井工一礦原位巖體的滲透系數(shù)為0.98E-5 cm/s～2.78E-5 cm/s，平均為1.88 E-5 cm/s，滲透性相似常數(shù)定為1。被注介質(zhì)按照顆粒組成實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用用黃土、細(xì)砂、石子、水等按照一定的比例來(lái)混合［1，2］，如表 1所示。

表1 顆粒組成表

2.2 注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為注漿后剖開(kāi)模型，由圖可知，在泥砂介質(zhì)中，漿液的滲透主要包括滲流通道的形成而通道周邊的孔隙滲透。漿液滲透過(guò)程實(shí)際是一個(gè)尋找或滲流通道的過(guò)程，漿液先不斷的尋找或制造滲流通道，再?gòu)耐ǖ阑蚵窂讲粩嗟臐B透到周邊的砂土中，當(dāng)一條通道不能滲流時(shí)，增加注漿壓力，就會(huì)尋找或制造另一條通道［3，4］。

圖2 漿液滲流實(shí)驗(yàn)分析圖

漿液滲流通道主要有柱形和面形兩類(lèi)，柱形擴(kuò)散是指漿液擴(kuò)散過(guò)程中，漿液沿著近似圓柱的空間運(yùn)動(dòng)。漿液的“面狀擴(kuò)散”模式，是指漿液擴(kuò)散過(guò)程中，漿液沿著近似平面的空間運(yùn)動(dòng)［5］。本文僅針對(duì)柱形滲流通道的形成機(jī)理進(jìn)行深入研究。

3 通道形成機(jī)理分析

脆性材料的內(nèi)部存在許多裂紋，在外力作用下，微裂紋的尖端附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，當(dāng)所聚集的能量達(dá)到一定值時(shí)，裂紋將開(kāi)始擴(kuò)展，格里菲斯強(qiáng)度理論僅考慮巖石開(kāi)裂而非宏觀破壞。而陷落柱充填物以砂土介質(zhì)為主，屬于脆性介質(zhì)，據(jù)試驗(yàn)克制注漿是一個(gè)不斷尋找或制造通道的過(guò)程，當(dāng)形成滲流通道的過(guò)程即為砂土介質(zhì)劈裂破壞過(guò)程，因此其過(guò)程滿(mǎn)足格里菲斯理論的應(yīng)用條件，根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論判斷:

圖3 注漿劈裂形成滲流通道計(jì)算模型圖

當(dāng)滲流通道內(nèi)存在注漿壓力時(shí)，作用在微裂隙的應(yīng)力由圖3所示，將通道端面處的漿液壓力代入公式(1)時(shí)可得:

式中:σ1——注漿位置處被注體最大主應(yīng)力，MPa;σ3——注漿位置處被注體最小主應(yīng)力，MPa;σt——注漿位置處被注體抗拉強(qiáng)度，MPa;P——漿液端面處的應(yīng)力。由公式(2)可得:

式(3)為漿液在被注體中形成滲流劈裂通道的基本條件，由于注漿液體粘滯性，漿液在滲流通道內(nèi)的存在應(yīng)力梯度，當(dāng)漿液壓力P不符合上式條件時(shí)，該滲流通道關(guān)閉，漿液又開(kāi)始尋找或制造新的滲流通道。此時(shí)漿液滲流距離即為最大滲流半徑。

圖1顯示，我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全要素生產(chǎn)率及其分解指標(biāo)均呈現(xiàn)不同波動(dòng)，前期波動(dòng)較大，2014年后趨于平穩(wěn)，具體來(lái)看，在2009～2010年處于比較低的增長(zhǎng)水平，到2010～2011年，大部分指標(biāo)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，之后下降并趨于平穩(wěn)。

4 通道內(nèi)漿液應(yīng)力損失分析

根據(jù)流體力學(xué)可知，水平放置的等徑直圓管內(nèi)流體作定常層流［7］。從中取出一軸心與管軸重合的微小圓柱流體，分析其在水平方向(x方向)上的受力。

圖4 柱形通道內(nèi)漿液力學(xué)分析圖

注漿壓力一般為3 MPa以上，遠(yuǎn)大于漿液的重力，故忽略質(zhì)量力，兩端面上的壓力差與圓柱體側(cè)表面上的粘性摩擦力相等［8，9］，則:

式中:v——漿液過(guò)斷流面的流速，p1——漿液起始斷面的壓力，p2——漿液起始斷面的壓力，R——流動(dòng)成圓管面的半徑，r——取出微小圓柱流體的半徑，μ——漿液的粘度，l——漿液流過(guò)的長(zhǎng)度。

由公式(5)可得流量為:

上式反映了流量q、壓強(qiáng)差Δp與管直徑d的關(guān)系。漿液流量隨滲流通道內(nèi)徑越大增大而增大，隨注漿壓力與介質(zhì)內(nèi)靜水壓力之差的增大而增大，隨漿液的粘度增大而減小。

柱形滲流通道壓力壓力損失為［10］:

由公式(9)可以看出，當(dāng)注漿壓力為pe時(shí)，距注漿孔為l時(shí)，漿液的壓力為:

由公式(10)可看出，隨著漿液滲流路徑的增長(zhǎng)、滲流速度的增大，漿液在滲流通道的壓力注漿減小，而滲流通道的孔徑、雷諾數(shù)的增大，則有利于漿液的滲流擴(kuò)展［11］。

5 結(jié)論

1)根據(jù)陷落柱賦存特征，設(shè)計(jì)了注漿實(shí)驗(yàn)方案，并由實(shí)驗(yàn)可知，漿液在泥沙介質(zhì)中滲流機(jī)理是漿液在注漿壓力的作用下在介質(zhì)中劈裂形成滲流通道。

2)本文依據(jù)格里菲斯判據(jù)，考慮漿液壓力作用，推導(dǎo)了漿液滲流通道形成的條件，主要與地應(yīng)力、介質(zhì)抗拉強(qiáng)度以及注漿壓力有關(guān)。

4)當(dāng)p1＞pmin(形成滲流通道所需最小注漿壓力)時(shí)，漿液將繼續(xù)在劈裂被注介質(zhì)形成新的滲流通道;當(dāng)p1＜pmin時(shí)，漿液將停止劈裂被注介質(zhì)。

3)通過(guò)分析漿液在介質(zhì)中的壓力損失可知:隨著漿液滲流路徑的增長(zhǎng)、滲流速度的增大，漿液在滲流通道的壓力注漿減小，而滲流通道的孔徑、雷諾數(shù)的增大，則有利于漿液的滲流擴(kuò)展.

［1］ 隋旺華，董青紅，蔡光桃，等.采掘潰砂機(jī)理與預(yù)防［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.

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Mechanical Mechanism Analysis of Forming Grouting Seepage Channel in Clay sand Medium

SHI Hao-yu，TIAN Duo，GUO Fu-gui，CAO Jian，LV Ke

(School of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

In order to research the forming mechanism of grouting seepage channel in the clay sand medium，Designed the grouting experiment system;And knowing the chemical grouting seepage in the clay sand medium mainly have two main forms that cylindricality seepage and surface shape seepage by the experimental result;On the basis of Griffith criterion，deduced the minimum grouting pressure pminthat forming the Chemical grouting seepage channel，Analysis the pressure loss of the Chemical grouting seepage in the medium on the basis of percolation mechanics，obtained Grouting pressure p1that in the different positions of the seepage channel;when p1＞pmin，Chemical grout will split the medium that forming new seepage channel;when p1＜pmin，Chemical grout will stop split，the Channel is closed.

Clay Sand Medium;Grouting;Seepage Channel;Pressure Loss

TD265.4+4

A

1672-7169(2014)01-0048-04

2013-11-14

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142013100);華北科技學(xué)院基金資助項(xiàng)目“注漿技術(shù)在地質(zhì)構(gòu)造帶的加固機(jī)理及應(yīng)用研究”(JWC2013B)

師皓宇(1979-)，男，內(nèi)蒙烏蘭察布人，碩士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橄锏乐ёo(hù)與注漿技術(shù)。E-mail:shihaoyu2000@163.com