裂隙注漿漿液濃度分布試驗研究與機制探討

王曉晨，劉人太，張春雨，李修浩

(山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

我國幅員遼闊、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤礦地質(zhì)賦存條件的差異十分明顯，煤礦水害在煤礦開采中頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，煤礦水害造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失在重、特大事故中僅次于瓦斯爆炸災(zāi)害[1-4]，是制約我國煤礦安全開采的重大災(zāi)害源。注漿是煤礦水害防治最主要的技術(shù)手段[5-7]，通過注入膠凝性的材料，達(dá)到封堵含水裂隙通道與加固圍巖的目的，保證煤礦生產(chǎn)安全。

水泥基注漿材料是煤礦注漿工程中最主要的注漿材料[8]，經(jīng)過煅燒、粉磨工藝制得。其配置而成的漿液屬于懸濁液，在其自身水化、絮結(jié)等理化反應(yīng)下，具有不均勻、不穩(wěn)定等性質(zhì)，如在靜止?fàn)顟B(tài)下存在析水沉降特性[9-10]。同時，水泥單液漿可定性視為一種非牛頓流體(水灰比0.8～1.0)，其物理力學(xué)特性在一定程度上與漿液濃度有關(guān)。對于裂隙注漿而言，漿液在擴散過程中受重力、黏滯力以及注漿壓力的影響，復(fù)雜的受力特征與懸濁液自身特性影響著注漿擴散過程，并導(dǎo)致漿液沿擴散路徑上的濃度分布存在一定差異，而漿液濃度的高低一定程度上影響著漿液結(jié)石體的強度并決定著注漿效果的優(yōu)劣。因此，研究水泥漿液在裂隙內(nèi)擴散的濃度分布機制，對進(jìn)一步提高裂隙巖體注漿擴散規(guī)律的認(rèn)識，指導(dǎo)注漿工程設(shè)計具有重要意義。

針對水泥基漿液在裂隙巖體中的注漿問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展了諸多有益的探索。在理論模型方面，趙慶彪等[11]研究了裂隙含水層的注漿擴散機理，提出了含水層注漿的“三時段”劃分，并給出了各階段的水動力學(xué)表達(dá)式。G.GUSTAFSON等[12]將水泥漿液的流體本構(gòu)模型按照賓漢姆流體本構(gòu)模型考慮，基于流體微元體沿擴散方向上的力學(xué)平衡分析，建立了恒定注漿壓力條件下的注漿擴散模型。M.E.TANI等[13-14]從能量平衡角度定義了水泥漿液在裂隙內(nèi)流動的“推進(jìn)比”，基于此分析了注漿壓力、注漿速率與漿液極限擴散距離之間的關(guān)系。阮文軍[15-16]通過研究水泥漿液黏度隨時間的變化規(guī)律，推導(dǎo)建立了考慮漿液黏度時變特性的注漿擴散模型，獲得了注漿流量與漿液擴散距離之間的關(guān)系。M.ERIKSSON[17]建立了漿液通過裂隙收縮位置處的物理模型，推導(dǎo)了裂隙收縮位置前后漿液密度變化函數(shù)。在試驗研究方面，李術(shù)才等[18]研發(fā)了準(zhǔn)三維裂隙動水試驗平臺，研究了動水條件下水泥漿液的擴散形態(tài)，提出了動水條件下漿液的分區(qū)擴散機制。劉健等[19]采用室內(nèi)試驗與數(shù)值方法，研究了水泥漿液在動水與靜水條件下的擴散規(guī)律，重點分析了水泥漿液壓力場的分布。D.ALMIR等[20-21]在光滑鋼槽內(nèi)設(shè)置了2種裂隙開度，研究了裂隙開度突變位置前后水泥漿液壓力的變化情況，并重點分析了在裂隙開度突變位置處漿液發(fā)生的滲濾效應(yīng)。然而，現(xiàn)有水泥漿液裂隙注漿理論與試驗研究中，對于漿液在裂隙擴散后的濃度分布規(guī)律鮮有探討，漿液在裂隙擴散區(qū)內(nèi)的濃度分布形成機制尚不明確。

為研究裂隙注漿中漿液沿擴散路徑上的濃度分布規(guī)律，探究漿液濃度分布的形成機制。筆者基于自主研發(fā)的裂隙注漿模擬試驗平臺，開展了不同裂隙開度與水灰比條件下的注漿擴散模擬試驗，以漿液完全析水沉降后固相體積占總體積的比例(固相體積比)表征漿液在裂隙內(nèi)的濃度，測試獲得了漿液沿擴散路徑上不同位置處的固相體積比，分析了裂隙開度與漿液水灰比對漿液擴散區(qū)的濃度分布影響。將水泥注漿材料簡化為單個漿材顆粒，基于非牛頓流體力學(xué)理論，分析了其在裂隙內(nèi)的受力狀態(tài)與運移軌跡，探討了漿液沿擴散路徑上的濃度分布形成機制。

1 注漿模擬試驗裝置、材料及方法

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

研究裂隙注漿中漿液沿擴散路徑上的濃度分布規(guī)律，確定裂隙開度、漿液水灰比對于漿液擴散區(qū)的濃度分布影響以及對應(yīng)的注漿壓力變化情況。

1.2 試驗原理

漿液沿擴散路徑上的濃度變化可理解為漿液密度沿擴散路徑上的變化，然而，目前對處于流動狀態(tài)的漿體，尚無專門的儀器設(shè)備對其密度進(jìn)行實時監(jiān)測。由于水泥漿液屬于顆粒型漿液，漿液在擴散過程中以及停止運移后均會發(fā)生析水沉降現(xiàn)象[9]，漿液在擴散區(qū)任意位置處的析水沉降量實際上是該位置處漿液濃度的體現(xiàn)，即漿液濃度越高，漿液完全沉降后的固相含量越高。因此，研究中以漿液完全析水沉降后的固相體積占總體積的比例(在此簡稱，固相體積比)作為漿液在裂隙內(nèi)的濃度表征，通過測試漿液沿擴散路徑上不同位置處的固相體積比，以獲得漿液沿擴散路徑上的濃度分布規(guī)律。

1.3 注漿模擬試驗裝置

試驗裝置采用山東大學(xué)自主研發(fā)的準(zhǔn)三維裂隙注漿模擬試驗系統(tǒng)，如圖1所示。該試驗系統(tǒng)主要包括可變開度裂隙注漿模擬試驗平臺、恒速率注漿裝置以及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 準(zhǔn)三維裂隙注漿模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Quasi-three-dimensional crack grouting simulation test system

可變開度裂隙注漿模擬試驗平臺平面尺寸為0.5 m×2.0 m(寬×長)，其中包括框架整體、裂隙上下盤面以及裂隙開度調(diào)節(jié)裝置。裂隙開度調(diào)節(jié)裝置由分離式液壓千斤頂、電動升降平臺以及鋁板組成，鋁板放置在分離式液壓千斤頂與電動升降平臺之上并由兩者支撐。裂隙上盤面固定在框架整體之上，并通過環(huán)形橡膠圈對裂隙上盤面與框架整體上側(cè)之間存在的縫隙進(jìn)行密封，以防止注漿過程中出現(xiàn)的漏漿現(xiàn)象。裂隙下盤面放置在鋁板之上，由環(huán)形橡膠圈對裂隙下盤面與框架整體內(nèi)側(cè)側(cè)壁之間的縫隙進(jìn)行密封。

恒速率注漿裝置由直剪儀與儲漿桶2部分組成。直剪儀是注漿的動力裝置，儲漿桶用于儲存注入的漿液。儲漿桶由高強度透明亞克力材料制成，包括玻璃桶與密封蓋兩部分，密封蓋上面留有進(jìn)漿孔，玻璃桶側(cè)面留有出漿口。通過設(shè)置直剪儀的恒定法向位移加載模式，直剪儀法向壓頭以恒定位移量向下移動，推動儲漿桶密封蓋以恒定位移壓動漿液，漿液以恒定流量流出。恒速率注漿裝置流量調(diào)節(jié)范圍為0.53～2.12 L/min。

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力與位移測量系統(tǒng)。壓力測量系統(tǒng)由壓力變送器與對應(yīng)數(shù)據(jù)采集板卡組成，用于測定漿液壓力。位移測量系統(tǒng)由千分表與數(shù)據(jù)分析軟件組成。壓力變送器安裝于裂隙上盤面的預(yù)留孔之內(nèi)，監(jiān)測不同位置處的漿液壓力。千分表分布于裂隙上盤面中心軸線處，用于監(jiān)測裂隙上盤面的的位移。

1.4 注漿模擬試驗裝置

試驗所用水泥為山水水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(PO.42.5R)，其化學(xué)成分見表1，試驗用水泥平均粒徑在15～20 μm，最大粒徑在44～100 μm內(nèi)，比表面積處于260～400 m2/kg。

表1 普通硅酸鹽水泥成分Table 1 Common Portland cement composition %

試驗共設(shè)置2種裂隙開度，每種裂隙開度下測試3種水灰比漿液對應(yīng)的漿液擴散區(qū)濃度分布，試驗具體設(shè)置見表2。漿液配置完成后，使用攪拌器高速攪拌混合7 min，漿液攪拌混合完成后，立即倒入儲漿桶內(nèi)，開始注漿。試驗中注漿速率設(shè)置為0.53 L/min。為了保證各組試驗漿液擴散距離相同，以距離裂隙平臺末端7 cm處作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，漿液一旦擴散至該位置，立即停止注漿。

表2 試驗注漿參數(shù)選擇Table 2 Selection of grouting parameters

如圖2所示，分別以距離注漿孔0,0.4,0.8,1.2,1.6 m的5個位置作為漿液濃度測試基準(zhǔn)線，以各條測線上等間距的3個點作為漿液濃度測試點，分別提取各測點處15 mL漿液置于量筒內(nèi)，靜置30 min后，待其完全析水沉降后，讀取該測點固相體積與總體積，確定該測點固相體積比。對同一條測線上3個測點的固相體積比進(jìn)行加權(quán)平均，獲得該擴散位置處漿液濃度表征量。

圖2 漿液濃度監(jiān)測分布示意Fig.2 Slurry concentration monitoring distribution diagram

圖3為注漿結(jié)束后，濃度測試基準(zhǔn)線位置圖。提取濃度測試基準(zhǔn)線上相應(yīng)測點的漿液至量筒內(nèi)，靜置30 min后，各測點處固相體積比如圖4所示。由圖4可以看出，不同擴散距離處漿液固相體積比差異明顯。由于試驗組數(shù)較多，為了更直觀的表現(xiàn)漿液濃度隨擴散距離的變化，根據(jù)試驗結(jié)果，計算獲得各條濃度測試基準(zhǔn)線的固相體積比加權(quán)平均值，分別繪制不同水灰比與裂隙開度條件下，漿液固相體積比隨漿液擴散距離的變化情況。

圖3 濃度測試基準(zhǔn)線位置Fig.3 Concentration test baseline position

圖4 各測點固相體積比Fig.4 Solid phase volume ratio at each measuring point

2 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 注漿壓力分析

圖5為不同水灰比條件下注漿壓力隨時間變化曲線，試驗結(jié)果顯示:

圖5 不同水灰比下注漿壓力變化Fig.5 Change of grouting pressure under different water-cement ratio

(1)漿液擴散至相同位置處，注漿壓力隨注漿時間呈現(xiàn)非線性增長變化，在注漿初期，注漿壓力變化較為平緩，隨著注漿時間的進(jìn)一步增加，注漿壓力快速爬升，爬升過程中注漿壓力略有波動，隨著注漿時間的繼續(xù)增加，注漿壓力衰減，表明注漿已經(jīng)結(jié)束。分析認(rèn)為，各工況下，注漿壓力平緩變化段、衰減段與注漿壓力監(jiān)測裝置啟動、關(guān)閉時間有關(guān)。為了記錄注漿全程壓力-時間變化曲線，早在注漿前就已啟動注漿壓力監(jiān)測裝置，同時，注漿結(jié)束后并未立即關(guān)閉注漿壓力監(jiān)測裝置，故造成注漿壓力-時間曲線存在平緩段與衰減段。

(2)在2種裂隙開度工況下，隨著漿液水灰比的增加，漿液所達(dá)到的最大注漿壓力減小，相較于3 mm的裂隙工況，1 mm工況下各水灰比漿液的最大注漿壓力明顯較高。分析認(rèn)為，漿液黏度是造成不同水灰比漿液注漿壓力產(chǎn)生差距的最主要原因，漿液黏度越高其流動阻力就越大，漿液流動所克服的阻力越高，注漿壓力越大。不同裂隙開度條件下注漿壓力測試結(jié)果與已有試驗結(jié)果一致，表明注漿過程符合試驗設(shè)計要求。

2.2 固相體積比分析

圖6分別為1,3 mm裂隙開度條件下不同水灰比漿液的固相體積比隨漿液擴散距離的變化曲線，試驗結(jié)果顯示:

圖6 同一裂隙開度不同漿液水灰比的固相體積比分布Fig.6 Solid volume ratio under different fracture opening

(1)對于裂隙開度為1 mm的裂隙，水灰比為0.8的水泥漿液，其固相體積比沿擴散路徑上的變化幅度較小，但仍隨擴散路徑的增加而降低。而對于水灰比為1.0與1.2的漿液，隨著漿液擴散距離的增加其固相體積比降低幅度較為明顯。對于裂隙開度為3 mm的裂隙，水灰比為0.8的水泥漿液，其固相體積比沿擴散路徑上變化幅度較大，而水灰比為1.0與1.2的水泥漿液，兩者固相體積比的差距與變化幅度較小，這表明兩者擴散后漿液的濃度分布較為接近。

(2)相同裂隙開度條件下，各水灰比漿液固相體積比均隨著漿液擴散距離的增加而降低，注漿孔位置處漿液固相體積比最高，而漿液擴散鋒面處漿液固相體積比最低，這表明漿液濃度隨著漿液擴散距離的增加而降低，呈現(xiàn)出流動稀化趨勢，越靠近注漿孔位置處漿液濃度越大。同時，漿液水灰比越大，沿擴散路徑上漿液固相體積比越低，這表明相較于水灰比較小的漿液，水灰比較大的漿液其濃度在擴散路徑上較小。因此，考慮到漿液在裂隙內(nèi)的擴散距離與漿液擴散后在裂隙內(nèi)的濃度，在實際裂隙注漿工程中，可先注入水灰比較大的漿液以保證漿液擴散能夠達(dá)到設(shè)計距離，然后再注入水灰比較小的漿液以提升整個區(qū)域漿液的濃度，保證注漿效果。

圖7 同一水灰比漿液不同裂隙開度下的漿液固相體積比Fig.7 Volume ratio of solid phase corresponding to each water-cement ratio of slurry

圖7為同一水灰比漿液在不同裂隙開度條件下漿液固相體積比的分布，試驗結(jié)果顯示:

(1)各水灰比漿液在2種裂隙開度內(nèi)的固相體積比雖然存在一定差異，但總體變化趨勢基本一致。注漿孔位置處，大開度裂隙內(nèi)的漿液固相體積比明顯高于小開度裂隙內(nèi)的漿液固相體積比。但隨著漿液水灰比的增加，2種裂隙開度對應(yīng)的固相體積比的差距逐漸降低。這表明漿液水灰比與裂隙開度明顯影響著漿液注漿孔位置處的漿液濃度。

(2)隨著距注漿孔距離的增加，大開度與小開度裂隙的漿液固相體積比差距逐漸減小，并在擴散區(qū)某一位置處2種開度對應(yīng)的固相體積比相等。隨著距注漿孔距離的繼續(xù)增加，小開度裂隙的固相體積比明顯高于大開度裂隙的固相體積比。隨著距注漿孔距離的進(jìn)一步增加，漿液水灰比的增大，小開度裂隙與大開度裂隙的漿液固相體積比差距明顯增大。

3 漿液濃度分布形成機制探討

以漿材顆粒中大粒徑顆粒與小粒徑顆粒作為典型顆粒進(jìn)行分析，如圖8所示，漿材顆粒運動過程中主要受“推進(jìn)力”與“沉降力”作用?！巴七M(jìn)力”表示控制漿材顆粒在流動方向上運移擴散的力，其中包括注漿壓力與剪切應(yīng)力;“沉降力”表示控制漿材顆粒在垂直于裂隙面方向上的運移擴散力，其中包括重力與流動拖曳力。如圖8所示，hi(i=1,2,3)表示漿材顆粒與裂隙壁面之間的距離，b表示裂隙開度，且h3

圖8 單個漿材顆粒力學(xué)分析簡圖Fig.8 Analysis of single slurry particle

圖9 顆粒沉降曲線示意Fig.9 Schematic diagram of particle sedimentation curve

對于裂隙注漿而言，裂隙開度影響著漿液的注入效果，即裂隙存在“臨界開度bcrit”與“最小注入開度bmin”[21,23]。當(dāng)裂隙開度小于bmin時，漿液無法注入裂隙內(nèi)，當(dāng)裂隙開度大于bcrit時，漿液可注入裂隙且僅受漿液自身黏度控制，當(dāng)裂隙開度處于兩者之間時，此時裂隙開度記為滲濾開度bfil，漿液在裂隙內(nèi)流動受濾過作用的影響，部分漿材顆粒無法注入裂隙，僅有部分細(xì)顆?？扇肓严叮严秲?nèi)的漿液濃度發(fā)生變化。當(dāng)漿液流速降低至一定程度時，受重力影響，漿液中的漿材顆粒開始發(fā)生沉降。隨著漿材顆粒的不斷沉積，漿液在裂隙內(nèi)流動的過流斷面逐漸減小，漿液實際流動通道尺寸逐漸達(dá)到滲濾開度，在水泥漿液自身理化反應(yīng)(水化反應(yīng)、絮結(jié)反應(yīng))的作用下，漿材顆粒抱團(tuán)形成大于原尺寸的基團(tuán)，流動過程中基團(tuán)與流道尺寸出現(xiàn)不匹配，大粒徑顆粒基團(tuán)淤堵而小粒徑顆粒通過，導(dǎo)致漿液的濃度出現(xiàn)明顯差異。漿材顆粒基團(tuán)與漿液實際流動通道兩者的尺寸差異影響著漿液在裂隙流動中顯現(xiàn)的滲濾效應(yīng)。漿材顆粒越小，其抱團(tuán)后形成的基團(tuán)尺寸較小，故其發(fā)生滲濾效應(yīng)對應(yīng)的滲濾開度范圍較小。在小粒徑顆粒通過大粒徑顆粒基團(tuán)后，漿材顆粒發(fā)生沉降，漿液的實際流道縮小，小粒徑顆粒抱團(tuán)形成大尺寸基團(tuán)并淤堵通道，小于該基團(tuán)尺寸的漿材顆粒通過，滲濾效應(yīng)再次顯現(xiàn)，漿液濃度發(fā)生變化。如圖10所示，在漿液擴散區(qū)內(nèi)，漿液滲濾效應(yīng)多次顯現(xiàn)，且隨著擴散距離的增加滲濾發(fā)生時的滲濾開度逐漸減小，Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ部分的漿液濃度逐漸降低。

圖10 滲濾濃度分布Fig.10 Filtration concentration distribution

4 討 論

(1)漿液的擴散距離，漿液在裂隙內(nèi)的充填率以及漿液凝結(jié)固化后結(jié)石體的滲透特性是裂隙注漿工程中的重要研究問題。而裂隙注漿中漿液沿擴散區(qū)濃度變化問題的研究能夠促進(jìn)裂隙注漿理論的發(fā)展。漿液流動過程中顯現(xiàn)的沉降滲濾效應(yīng)導(dǎo)致了漿液沿擴散路徑上的濃度變化，使得流動過程中漿液自身黏度發(fā)生改變，漿液極限擴散距離受到影響。因此，研究裂隙注漿中漿液擴散區(qū)的濃度變化機制尤為重要。

(2)提出準(zhǔn)確的理論模型以描述漿液濃度變化導(dǎo)致的漿液極限擴散距離變化，對進(jìn)一步修正現(xiàn)有注漿理論，提高注漿設(shè)計的準(zhǔn)確性十分重要。漿液擴散過程中顯現(xiàn)的沉降滲濾效應(yīng)如何進(jìn)行數(shù)學(xué)描述有待于進(jìn)一步開展研究。

5 結(jié) 論

(1)基于自主研發(fā)的裂隙注漿模擬試驗平臺，開展了不同裂隙開度與水灰比條件下的注漿擴散模擬試驗，以固相體積比表征擴散后的漿液濃度，獲得了漿液在裂隙擴散后的濃度分布規(guī)律。

(2)各水灰比漿液在裂隙擴散運移后的漿液濃度隨著漿液擴散距離的增加而降低，并呈現(xiàn)出流動稀化趨勢，靠近注漿孔位置漿液濃度高，漿液擴散運移鋒面處漿液濃度最低。同時，低水灰比漿液沿擴散路徑上的濃度大于高水灰比漿液沿擴散路徑上的濃度。

(3)對于裂隙注漿工程而言，可先注入水灰比較高的漿液以保證漿液擴散距離達(dá)到設(shè)計值，然后，注入水灰比較低的漿液以提升整個漿液擴散區(qū)的濃度，保證注漿效果。

(4)將水泥注漿材料簡化為單個漿材顆粒，基于非牛頓流體力學(xué)理論，分析了其在裂隙內(nèi)的受力狀態(tài)與運移軌跡，從漿液在裂隙流動擴散中顯現(xiàn)的沉降滲濾特性角度，提出了漿液在裂隙內(nèi)濃度分布的形成機制。