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第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY single fracture; laboratory test; numerical simulation; diffusion radius 地下工程水害防治对工程自身以及施工人员生 命财产安全有着重要现实意义，用注浆法加固裂隙 煤岩体是一种有效的水害防治方法。注浆压力与水 灰比是动水注浆工程设计中的重要参数，其设计是 否合理，直接影响到动水注浆的效果和治理成本。 因此进行动水注浆之前，必须研究注浆压力、水灰 比与注浆扩散半径之间的规律。 目前，一些学者开展了动水条件下裂隙注浆理 论、实验及注浆材料等层面的研究。 在注浆理论层面，湛铠瑜等[1-3]、田美霞[4]分别 基于牛顿摩阻力定律，建立了在单一裂隙中牛顿型 浆液的扩散方程；后者在考虑动水流速影响下的浆 液扩散模型中，加入了浆液黏度时变性方程，完善 了多因素注浆扩散模型；S. Mohajerani 等[5-6]基于 EGFP 算法，研究二维离散断裂网格下不同因素对 注浆效果的影响；M. Eriksson 等[7]、O. Saeidi 等[8]、 A. Draganovic 等[9]分别采用数值模拟和理论分析方 法，得到变开度裂隙浆液扩散规律、不同节理和浆 液性质对岩体可灌性的影响、水泥基浆液的流动规 律等；苏培莉等[10]基于岩体几何集合参数概率模型 和 Monte-Carlo 技术，生成了岩体结构面网格。 在注浆实验层面，李金华等[11]通过记录分析浆 ChaoXing 第 5 期 谷拴成等 岩体裂隙动水注浆扩散半径影响试验 145 液沉积压力曲线的性质，提出一种以压力曲线特性 评价注浆效果的方法；李术才、张霄等[12-13]、高岗 荣等[14]分别开发了单一裂隙动水注浆试验平台， 并得到浆液的扩散机制及沉积封堵机理；M. H. Mohammed 等[15]得到静态和振动条件下水泥基浆液 在裂隙中的渗流规律；F. Rosquoet 等[16]研究分析水 泥浆液在裂隙中的流变性和浆液沉积特性；杨仁树 等[17-18]利用室内试验及 CT 技术，分析得到裂隙分 形维数以及超细水泥浆液的最优配比。 在注浆材料层面， 谷拴成等[19]对富含水–H2S 环 境进行复合浆液的优化设计，确定优化复合浆液的 最佳配比； 刘人太等[20-23]研发一种水泥基速凝材料； 姬中奎[24-25]研究了细骨料在注浆工程中的新方法。 以上学者从理论分析和室内试验，对动水注浆 机理和效果展开研究，但未突出注浆工程的关键因 素浆液水灰比和注浆压力两者共同作用下，对注 浆效果的影响。在总结前人研究成果后，笔者采用 室内试验和数值模拟手段，重点研究裂隙中浆液的 水灰比与注浆压力对浆液扩散半径的影响，并得到 相关结论。 1 室内注浆试验 1.1 室内注浆模拟平台 模拟裂隙动水注浆试验平台以现场实际情况为 设计依据，分别由模拟裂隙系统、注浆控制系统、 动水水源系统、试验框架系统、数据采集系统、试 验监控系统组成，如图 1 所示。 图 1 注浆试验平台 Fig.1 Grouting test equipment 为了准确观察试验效果，模拟裂隙系统试验区 域采用长 2 m，宽 1 m 的金属下底板，涂刷红色底 漆以便与灰色的水泥浆液形成鲜明对比；在有机玻 璃上板弹出 10 cm10 cm 的黄色网格线，便于后期 测量扩散半径与扩散距离，如图 2a 所示。 1.2 注浆试验设计 试验设定裂隙开度为5 mm，动水流速为0.113 m/s， 分别以水灰比为 0.6︰1、2.0︰1 的纯水泥浆液作为 注浆材料，注浆压力范围取 0.10.4 MPa。 将不同水灰比浆液分为5组，水灰比分别为0.6︰1、 0.8︰1、1.0︰1、1.5︰1、2.0︰1，在同一组水灰比 浆液中进行不同注浆压力的注浆试验，注浆压力取 0.1、0.2、0.3 和 0.4 MPa。研究注浆压力与水灰比 共同作用下，对注浆效果及扩散半径的影响。 1.3 试验结果分析 水泥浆液在裂隙中的扩散形式主要为分区扩 散， 由形成的沉积留核区与浆水分层扩散区组成[6]。 浆液的扩散方式如图 2b 所示。 扩散形态在注浆之初 为水滴形，随着浆液的不断注入，扩散形态逐渐由 水滴形向倒 U 型转变，其中沉积留核的尺寸与稳定 决定着堵水效果的优劣。 1.3.1 注浆压力对注浆效果的影响 以水灰比为 1.0︰1 和 1.5︰1 为例， 当浆液水灰 比为 1.0︰1， 注浆压力分别为 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 MPa 时， 浆液的最大扩散半径依次为 12.47、 18.20、 33.54、 45.15 cm，如图 2a 所示。当水灰比为 1.5︰1，注浆 压力分别为 0.1、0.2、0.4 MPa 时，对应的最大扩散 半径依次为 10.5、16.59、31.17 cm。总结试验结果 可知，当浆液水灰比不变时，注浆压力越大，浆液 能达到的最大扩散半径就越大，堵水效果越好。 图 2 浆液扩散结果 Fig.2 Slurry diffusion results 但扩散半径不会无限扩大，当水灰比与注浆压 ChaoXing 146 煤田地质与勘探 第 47 卷 力均定值时， 仅扩散距离会随着注浆过程不断增长。 因为含有动水的裂隙本身是一个存在压力且封闭的 流场空间， 注浆开始时会破坏流场初始的压力分布， 浆液与动水之间存在压力差，当浆液扩散至一定程 度时，会与动水在流场内形成新的压力平衡，从而 以固定的扩散半径继续增大扩散距离。 1.3.2 水灰比对注浆效果的影响 对表 1 中编号为 3、6、9、12 的 4 组试验数据 进行分析，当注浆压力为 0.4 MPa 时，水灰比为 0.6︰1、0.8︰1、1.5︰1、2.0︰1 的水泥浆液所对应 的最大扩散半径分别为 49.58、 46.38、 31.17、 26.47 cm。 其中，水灰比为 0.6︰1 的浆液，其扩散最大半径约 为 49.58 cm，在扩散范围内形成了全隙封堵。试验 中发现该水灰比浆液的可泵性与流动性较差，进入 裂隙后浆液中掺杂有体积较大的未充分反应的水泥 胶结块，这是因为水灰比偏小从而增大了浆液的黏 度；该配比的浆液与动水在裂隙中的扩散方式接近 驱替扩散，浆液形成的沉积留核区占有率远大于 浆水分层扩散区，分层扩散区在整体扩散范围中 只占很少一部分。由于浆液本身黏度大，因此针对 动水冲刷有很好的抵抗能力，使沉积留核能保持比 较稳定的扩散形态与边界形态，当浆液形成全隙封 堵时，可取得最好的堵水效果。水灰比为 0.8︰1 的 浆液，是能得到较好注浆效果的浆液配比，其针对 动水冲刷的抗分散性较好，流动性优于 0.6︰1 的浆 液， 并具有良好的可泵性和对压力变化灵敏的反应。 由数据分析可知，当注浆压力不变时，水灰比越大， 浆液能形成的最大扩散半径就越小[26]。 表 1 水灰比与注浆压力对扩散半径的影响 Table 1 Influence of water-cement ratio and grouting pressure on diffusion radius 编号 水灰比 注浆压力/MPa 最大扩散半径/cm 1 0.6︰1 0.1 21.27 2 0.6︰1 0.2 32.42 3 0.6︰1 0.4 49.58 4 0.8︰1 0.1 18.38 5 0.8︰1 0.2 30.61 6 0.8︰1 0.4 46.38 7 1.5︰1 0.1 10.5 8 1.5︰1 0.2 16.59 9 1.5︰1 0.4 31.17 10 2.0︰1 0.1 8.49 11 2.0︰1 0.2 14.67 12 2.0︰1 0.4 26.47 同时，水灰比对浆液沉积区域的占比也有较大 的影响，其表现为当注浆压力不变时，水灰比增大， 沉积留核区占比减小，如表 2 所示。 表 2 水灰比对区域占比的影响 Table 2 Influence of water-cement ratio on regional ratio 编号 水灰比 沉积留核区/ 分层扩散区/ 1 0.6︰1 89.3 10.7 2 0.8︰1 86.7 13.3 3 1.0︰1 77.3 22.7 4 1.5︰1 64.4 35.6 5 2.0︰1 59.7 40.3 结合表 2 的数据分析可知，水灰比为 1.5︰1 的 浆液，其流动性和可泵性比较优越，在裂隙动水条 件下能够形成有效的沉积留核区；由于浆液的水灰 比变大，造成浆液黏度下降，因此浆水分层扩散 区在整体扩散区域内所占的比例增大，而堵水效率 与前两类相比却有所下降。 水灰比为 2.0︰1 的浆液， 其流动性和可泵性是所有试验浆液种类中最好的一 种，流态也比较理想，但该配比浆液水灰比过大， 虽然增强了流动性与可泵性，但取得的堵水效果却 大打折扣。因为浆液黏度变小会使浆液在动水冲刷 下的抗分散性减小，因此，造成浆水分层扩散区 所占比例增大，再加上动水水流冲刷的影响，导致 沉积留核稳定性下降，在裂隙中不易形成有效的堵 水区域；若在不改变水灰比的前提下还要取得较好 的堵水效果，就必须增大注浆量，使浆液在裂隙中 尽量多沉积。 另外，水灰比还会对沉积留核区的边界形态产 生很大影响。水灰比小的浆液，在动水冲刷下其边 界迹线比较稳定，近似于一条直线；当水灰比增大 后，其边界迹线受动水冲刷影响较大，变为波浪状 且向留核扩散方向的反向凹进；且水灰比越大，造 成的波浪起伏度就越大，如图 3 所示。 图 3 水灰比与留核边界形态的关系 Fig.3 Relationship between water-cement ratio and boundary shape of slurry deposition zone ChaoXing 第 5 期 谷拴成等 岩体裂隙动水注浆扩散半径影响试验 147 沉积留核边界的稳定是影响堵水效果好坏的重 要因素之一，所以控制浆液的水灰比是获得稳定沉 积留核区的重要手段之一。通过试验测得水灰比为 0.8︰1 的水泥浆液可以获得较好的留核稳定性。 2 注浆数值模拟 根据试验结果，使用计算流体力学分析软件， 依据室内注浆试验平台尺寸，将流场模型设置为宽 1 m、长 2 m 的矩形平面，使用三角形网格对流场进 行单元划分，动水入口条件定义为速度入口，注浆 孔入口条件定义为压力入口。为了取得良好的模拟 结果， 迭代采用 PISO 算法， 设定迭代步数为 10 000 步，步间距 0.01 s，模拟试验中水泥浆液的扩散过 程，对试验结果进行验证。 首先，分析注浆压力与扩散半径的联系。浆液 材料采用水灰比为 0.8︰1 的水泥浆液，动水流速为 0.1 m/s，注浆压力分别选择 0.1、0.2、0.3、0.4 MPa， 其扩散结果如图 4 所示。 图 4 注浆压力递增的浆液扩散图 Fig.4 Slurry diffusion diagram with increasing grouting pressure 图 4 中红色部分表示浆液在裂隙中形成的沉积 堵水留核， 蓝色部分表示裂隙水， 在红色和蓝色之间 的部分是浆液受动水冲刷影响后产生的浆水分层 扩散区。 总体上， 沉积堵水留核的面积大于分层扩散 区的面积；当注浆压力为 0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 时， 其扩散半径分别为 21.51、34.47、40.12、48.23 cm。 分析模拟结果可知，浆液的扩散半径与注浆压力成 正比。在扩散形态与扩散机制层面，该模拟结果均 与试验得到的结果一致。 其次，研究水灰比与扩散半径的关系。将计算结 果保存后， 对流场清零， 重新设定动水流速为 0.1 m/s， 注浆压力为 0.1 MPa，在流体材料库中对注浆材料 进行修改，分别定义水灰比为 0.8︰1、1.0︰1、 1.5︰1、2.0︰1 的水泥浆液，进行流场初始化，迭 代步数与步间距同上，其扩散结果如图 5 所示。 当水灰比为 0.8︰1、1.0︰1、1.5︰1、2.0︰1 时， 其扩散半径分别为 20.47、15.36、14.12、11.77 cm。 分析可知，在注浆压力不变时，水灰比增大，会使 浆液的扩散半径减小。由图 5 可以看出浆液水灰比 越大，其沉积留核边界越不稳定，逐渐呈波浪状。 此模拟结果从扩散形态和扩散机制上与试验得到的 结果一致。 图 5 不同水灰比的浆液扩散图 Fig.5 Slurry diffusion diagram of different water-cement ratio 3 结 论 a. 纯水泥浆液在裂隙中的扩散方式为分区扩 散，当裂隙中浆液与动水形成压力再平衡时，扩散 半径不再增大，而扩散距离继续增加。 b. 当动水流速与浆液水灰比一定时，注浆压力 越大，浆液的扩散半径越大，堵水效果越好。 c. 当动水流速一定时，同一注浆压力下，水灰 比与扩散半径成反比；同一水灰比下，注浆压力与 扩散半径成正比。 参考文献 [1] 湛铠瑜，隋旺华，高岳. 单一裂隙动水注浆扩散模型[J]. 岩土 力学，2011，3261659–1663. 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