采空區(qū)松散堆積物注漿模型試驗研究

劉亞明

(西北大學 地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，大量的公路、鐵路在西北、華北及東北等地修建，不可避免地途經(jīng)這些地區(qū)早期開采煤炭后的采空區(qū)。注漿法作為治理采空區(qū)的一種重要方法，在治理采空區(qū)的過程已經(jīng)被廣泛應用。童立元[1]、丁慶軍[2]、劉人太[3]和谷天峰[4]等大量學者對此進行了研究，但這些研究主要集中在注漿材料方面。在現(xiàn)場注漿施工過程中，漿液的流動是在被注介質(zhì)內(nèi)部的，很難觀測到漿液的運動和分布情況，隱蔽性和不確定性是注漿工程最大的特點，這就使得注漿設計和施工存在很大程度的盲目性和局限性。楊坪[5]、湛鎧瑜[6]和錢自衛(wèi)[7]等學者在注漿模擬實驗方面做了大量的研究，但對漿液在采空區(qū)松散堆積物中的充填及擴散規(guī)律重視不足。

本文用不同粒徑的煤矸石模擬采空區(qū)松散堆積物，設計兩個注漿模型，探討注漿壓力 P、漿液水固比 m、孔隙率 n和注漿量Q對漿液擴散距離的影響，研究水泥黃土漿液在采空區(qū)松散堆積物中的擴散規(guī)律。

1 注漿模型設計及控制

1.1 注漿模型設計與原理

本次注漿模型試驗，擬設計兩種注漿模型對漿液的擴散規(guī)律進行探究。

1.1.1 模型箱注漿試驗

模型箱注漿試驗裝置是結合實際情況自行研制的，由4部分組成:供壓裝置、儲漿容器、試驗箱和控制系統(tǒng)。

該模型試驗的供壓裝置采用氣壓控制器來提供和調(diào)節(jié)注漿壓力，氣壓控制器由計算機上的軟件通過伺服系統(tǒng)進行調(diào)控，通過輸入指令可以給活塞式注漿筒提供既定氣壓;儲漿容器選用活塞式注漿筒儲漿，活塞式注漿筒直徑8 cm，長50 cm，最大承壓1.0 MPa;試驗箱由木結構支架和有機玻璃組成，外觀尺寸:400×400×400 mm，中間有一個活動板，可以自由移動。長和高均為400 mm，寬可在0～400 mm間變化，這樣可以根據(jù)需要來調(diào)整試驗箱的大小;控制系統(tǒng)由自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集及控制軟件和位移傳感器、氣壓液壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等共同構成(見圖1)。

圖1 模型箱注漿試驗工作原理圖

1.1.2 壓力注漿模型試驗

該試驗裝置也由四部分組成:供壓裝置、儲漿容器、透明管和控制系統(tǒng)。其中供壓裝置、儲漿容器和控制系統(tǒng)沿用模型箱注漿試驗中的裝置。

透明管選取內(nèi)徑為7 cm的有機玻璃管，長度分別為1 m。兩端用經(jīng)過加工的亞克力板和橡皮圈進行密封，兩板之間用絲桿、螺帽和墊片進行固定(見圖2)。

圖2 壓力注漿模型原理圖

1.2 松散堆積物介質(zhì)的制備

模型試驗主要模擬采空區(qū)的松散堆積物，以煤矸石塊為主。本試驗選取銅川礦務局常家山煤礦的原狀煤矸石對采空區(qū)堆積的松散物質(zhì)進行模擬，分別由5～50 mm，50～100 mm，＞100 mm三種單粒級和一種連續(xù)級配(三種單粒級碎石各占總質(zhì)量1/3)的碎石構成(見圖3及表1)。

表1 不同顆粒配下堆積物的孔隙率

圖3 各單粒級的碎石

1.3 漿液選擇及性能

在進行模型試驗之前，我們選取不同水固比、不同水泥摻量的黃土水泥漿液進行了大量的基本性能試驗，根據(jù)試驗結果，漿液的水固比選取三個變化值 1:1.0、1:1.2、1:1.4，水泥摻量均為25%。三種漿液的析水率為15% ～25%，粘度為32～37 s，初凝時間為 1 600～3 000 min，終凝時間為3 000～4 500 min，結石率在70% ～81%之間，28 d抗壓強度為 0.6 ～0.8 MPa。

2 試驗過程控制

2.1 模型箱注漿試驗

本試驗的控制變量為漿液的水固比、注漿壓力、松散物質(zhì)孔隙率，注漿壓力擬選取為 0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa，保證漿液可以順利注入;松散物質(zhì)孔隙率擬選為0.45、0.50、0.55(由于松散物質(zhì)的孔隙率無法嚴格控制，故允許其有 0.005的誤差，下同)。

為方便觀察實驗過程，本試驗注漿管口在模型試驗箱中心貼側(cè)壁固定。根據(jù)位移傳感器記錄的數(shù)據(jù)，在注漿過程結束后，確定注漿量。

2.2 壓力注漿模型試驗

與模型箱注漿試驗相同，本次試驗漿液的水固比選取三個變化值 1:1.0、1:1.2、1:1.4，水泥摻量均為 25% 。注漿壓力擬選取為 0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa，保證漿液可以順利擴散滿整個水平管的空間，在漿液進出口處分別安裝傳感器，記錄壓力數(shù)值。

該壓力注漿模型試驗選取內(nèi)徑7 cm、長1 m的有機玻璃管用一定級配煤矸石塊充填模擬松散堆積物注漿，由于徑向距離相對于水平距離很小，因此可以忽略漿液在徑向的擴散，只考慮漿液在水平方向的擴散。

3 試驗結果及分析

3.1 模型箱注漿試驗

3.1.1 注漿量與實際空隙的關系

由試驗結果可以看出，各組試驗的注漿量均小于設計孔隙率對應的空隙體積。這是由于漿液具有一定的稠度，在小顆粒排列比較緊密的時候難以充填小顆粒間的孔隙，而將小顆粒的集合體整體包裹起來形成一個有機整體，在一定程度上減少了注漿量。

3.1.2 結石體的微觀結構

圖4 注漿后結石體微觀結構

由圖4可以看出，黃土水泥漿液與松散物質(zhì)形成結石體后膠結良好，黃土水泥漿液中的固體顆粒在結石體中分布均勻，在松散物質(zhì)周圍可與其形成較好的膠結體。漿液充填松散堆積物膠結形成的結石體多呈圓柱體或圓臺體。膠結范圍隨壓力增大而明顯增大。

3.1.3 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)，進行注漿壓力 P、漿液水固比m、孔隙率n和注漿量Q對漿液擴散距離R影響規(guī)律的優(yōu)化回歸分析，得到下面關系式:

式中:R為漿液擴散距離(cm)，n為堆積物孔隙率，m為漿液水固比，Q為注漿量(L)，P為注漿壓力(MPa)。

由上式可以得到結論:影響漿液擴散距離最為顯著的是堆積物孔隙率，其次是注漿量和漿液水固比，注漿壓力對漿液擴散距離的影響相對較小。

3.2 壓力注漿模型試驗

3.2.1 漿液通過松散堆積物壓力損失原因

漿液在松散堆積物中通過彎曲無規(guī)則的通道流動，其壓力損失是由漿液流速在各處的不均勻性、漿液與堆積物的碰撞、漿液擴散時與堆積物的摩擦等原因造成的。

漿液在松散堆積物中極小的一段微距離中的流動可等效為在直管道中的流動，由于液體具有粘滯性，緊靠管內(nèi)壁上有一層漿液流速為零，粘附在管內(nèi)壁不動，而管軸線上的流速最大。沿半徑，圓心到管壁流速是漸減的，里圈的漿液流速大于外圈，這樣里圈與外圈的漿液流速不同，發(fā)生了相對運動，產(chǎn)生了漿液之間的內(nèi)部摩擦，漿液克服內(nèi)摩擦力作功就產(chǎn)生了能量損失。速度越大，里圈與外圈漿液的內(nèi)部摩擦就越劇烈，能量損失就越大。由于能量損失，漿液的動能減小，流速降低，直接表現(xiàn)出來的就是漿液壓力不斷減小，通常認為壓力的減小與流速的平方成正比。而松散堆積物中的通道可以認為是很多段這樣的直管道組成的，這樣就造成了壓力的大量損失。另一方面，漿液在流動過程中與堆積物不斷發(fā)生碰撞也是造成壓力損失的原因之一。由于漿液流速比較大，在發(fā)生非彈性碰撞后，部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，導致動能降低，流速降低。漿液繼續(xù)流動，其與堆積物繼續(xù)發(fā)生碰撞，重復上述過程，直至流出透明管。此外，漿液在擴散過程中，與粗糙不平的堆積物表面發(fā)生摩擦，部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，使?jié){液流速降低，也是壓力損失的一個原因。

表2 模型箱注漿試驗結果統(tǒng)計表

3.2.2 各因素對漿液擴散速率的影響

由表3可以看出，當孔隙率和水固比一定時，注漿壓力每增加0.1 MPa漿液擴散1 m所需時間減小幅度達12 s左右，漿液擴散速率平均增大 0.92 m/s;當水固比和注漿壓力一定時，孔隙率每減小0.05漿液擴散1 m所需時間減小幅度達6 s左右，漿液擴散速率平均增大0.90 m/s;當孔隙率和注漿壓力一定時，固體所占比值每降低0.2漿液擴散1 m所需時間減小幅度達3 s左右，漿液擴散速率平均增大0.45 m/s。

根據(jù)不同變量下漿液擴散1 m所需時間變化幅度大小和漿液擴散速率增量大小可以看出，對漿液擴散速率影響最為顯著的是注漿壓力，其次是堆積物孔隙率，漿液水固比影響最小。

表3 壓力注漿模型試驗結果統(tǒng)計表

4 結語

(1)對模型箱注漿試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以得到注漿壓力P、漿液水固比m、孔隙率n和注漿量Q四個因素與漿液擴散距離之間的定量關系，可用式1進行擬合。由式1可以看出，影響漿液擴散距離最為顯著的是堆積物孔隙率，其次是注漿量和漿液水固比，注漿壓力對漿液擴散距離的影響相對較小。

(2)漿液在松散堆積物中通過彎曲無規(guī)則的通道流動，其壓力損失是由漿液流速在各處的不均勻性、漿液與堆積堆積物的碰撞、漿液擴散時與堆積物的摩擦等原因造成的。

(3)對漿液在松散堆積物中的擴散速率影響最為顯著的是注漿壓力，其次是堆積物孔隙率，漿液水固比影響最小。因此，在實際注漿工程中，應適當提高注漿壓力，以便漿液可以擴散到預定距離。

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