深部基巖地面預注漿模型試驗及數值計算分析

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80年代全國開始了大規模礦井開發，使得地面預注漿技術得到迅速發展。由于深部基巖注漿的隱蔽性的特點，注進的漿液難以直接觀察，注漿的質量效果往往依靠人們的技術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際工程問題不能科學有效的解決。為了能夠保證安全快速的施工要求，依托地面預注漿項目，采用模型試驗方法，找出注漿規律，確定合理注漿質量控制方案顯得尤為重要。

1 模型試驗

1.1 試驗設計

結合工程實際，本試驗根據埋深不同的巖性組合來進行模型試驗。試驗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個值，各因素取值如表1所示。

表1 各因素情況表

試驗設計采用3種因素(巖石滲透系數、注漿壓力、水灰比)7個取值的方式，按照表2，表3進行試驗設計。由表3可知3種因素試驗應采用表2中第2，3，4列來安排試驗，將采用的3種因素分別放在表3的后三列來安排試驗。試驗安排如表4所示。

表2 均勻設計

表3 均勻設計表的使用

表4 試驗設計表

1.2 試驗分析

漿液擴散半徑(R)、注漿體抗壓強度(P)的試驗數據如表5所示。

表5 試驗數據

根據表5的試驗數據，利用計算機對注漿壓力(p)、注漿時間(t)、漿液水灰比(m)、巖石滲透系數(k)、孔隙率(n)分析，得出影響注漿漿液擴散半徑(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(k)、注漿時間(t)、漿液水灰比(m)。影響注漿后的巖石抗壓強度(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(k)、注漿時間(t)。由試驗結果可以看出，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散半徑是由地層本身結構決定的。從影響注漿后的巖石抗壓強度的因素可以看出水灰比則占有明顯的優勢，這是因為注漿漿液是在不改變注漿巖層的原有結構的情況下，漿液排擠出巖層孔隙中的自由水和氣體，增強注漿后巖石整體性。

2 數值分析

2.1 壓力及滲透系數變化分析

將不同的擴散半徑、不同的初始漿液壓力以及不同的滲透系數之間模擬結果的比較來對巖層注漿機理進行分析?？梢园l現初始壓力的大小并不會影響到漿液壓力分布的比例，在相同擴散半徑的情況下較高的初始漿液壓力所產生的流速也較高，如圖1所示。

當初始漿液壓力依然為0.04個單位，滲透系數變為25的時候模擬結果見圖2?？梢园l現，滲透系數的改變也不會影響到漿液壓力的分布，兩種不同的介質中，漿液擴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個單位的漿液壓力分布云圖

圖2 滲透系數為25個單位的漿液壓力分布云圖

2.2 擴散半徑變化分析

1)漿液壓力為4個單位，擴散半徑為5 m，滲透系數為2.5時模擬結果如圖3，圖4所示。

2)漿液壓力為4個單位，擴散半徑為15 m，滲透系數為2.5時模擬結果如圖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

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

3 主要結論

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

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

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

4)地面預注漿是一項綜合性、系統性的工程，工序多且復雜，工期緊，質量要求高，施工有一定難度。因此，應加強施工組織與管理，不斷優化施工設計，嚴把各施工環節的質量關。

［1］崔廣心.相似理論與模型試驗［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1990.

［2］王 峰，曹光宇.簡明實驗力學［M］.北京:科學出版社，1993.

［3］周國慶.特殊地層含水層注漿加固參數與井壁附加力關系的研究［D］.徐州:中國礦業大學，1996.

［4］沈季良，崔云龍，王介峰，等.簡明建井工程手冊［M］.北京:煤炭工業出版社，2003.

［5］許金余，范建設，呂曉聰.圍壓條件下巖石的動態力學特性［M］.西安:西北工業大學出版社，2012.