煤矿空洞型采空区高浓度浆液充填扩展机制及控制措施_武博强.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY the rheological parameters yield stress and viscosity of slurry are directly proportional to the pipeline transportation resistance; the strength growth trend of slurry accumulation body is affected by the setting charac- teristics, and the resistance of slurry flowing between the accumulation body and the roof increases during the condensation process; when the filling material and flow rate remain unchanged, the resistance along the pipeline transportation is mainly affected by The results show that the local resistance is related to the pipe diameter, elbow, diameter change and quantity, and the more the number, the greater the local resistance; the slurry property, filling path and grouting technology are the main factors affecting the shape of filling accumulation body. Short- 124 煤田地质与勘探 第 48 卷 ening the filling distance, reducing the number of pipe diameter and elbow, reducing the yield stress and viscosity of slurry, and increasing the grouting flow and pressure are helpful The results provide a basis for the controlled filling of high concentration slurry in cavity goaf. Keywords cavity type; goaf; high concentration slurry; extension mechanism; influence factors; control measures 煤炭资源是我国最主要的一次性能源之一，储 量丰富，开发过程中形成大规模采煤沉陷区，占据 大量土地资源。尤其是房柱式开采形成的空洞型采 空区，受煤柱风化剥蚀及人类活动扰动影响，时常 发生坍塌冒落，威胁人民生命财产安全，同时限制 了上覆土地资源的开发利用，制约城市发展，常需 进行工程治理[1-3]。 注浆充填是最常用的治理手段，其中高浓度浆 液胶结充填具有泌水率低、结石率高、利于接顶、 地表变形控制效果好等优点，应用于空洞型采空 区充填治理工程中相较于低浓度浆液具有独特优 势[4]。国内外学者在高浓度胶结充填材料性能、流 变理论、配比优化及挤压输送等方面进行了一系列 研究，取得大量成果[4-7]，同时对于裂隙岩体注浆控制 工艺多有研究[8-13]，但针对高浓度浆液充入采空区后 的流动堆积规律及形态控制方法研究甚少[14-15]。 本文通过构建高浓度浆液充填过程模型，揭示 高度浆液充填扩展机制，研究高浓度浆液充填采空 区堆积扩展过程的动力及阻力计算方法，确定充填 形态主要影响因素， 对充填形态控制方法进行分析， 并进行室外充填试验进行验证，为空洞型采空区高 浓度浆液控制性充填提供依据。 1 高浓度浆液充填扩展机制 1.1 高浓度浆液本构模型 高浓度充填浆液是由不同粒级的骨料、尾砂等 无机集料，水泥或水泥替代品，添加剂和水等材料 混合而成的复合体。其本构方程为 0   1 式中τ 为浆液的剪切应力，Pa；τ0为屈服剪切力， Pa；μ 为浆液塑性黏度，Pas；为剪切速率，s–1。 1.2 高浓度浆液充填过程模型 1.2.1 基本假设 ① 高浓度浆液符合 Bingham 模型[6]， 输送过程 中流型不变、不可压缩，浆液屈服剪切应力及黏度 具有时变性； ② 浆液输送过程中骨料颗粒悬浮于浆液中， 不 发生沉淀，流态为满管层流； ③ 充填过程中， 顶、 底板为刚体， 不发生变形； ④ 充填过程中，浆液流量保持不变。 如图 1 所示，充填泵将高浓度浆液由管路及钻 孔挤压输送至采空区，过程中受管道沿程阻力及重 力联合作用；高浓度浆液以采空区顶板钻孔处为出 口，初期自由堆积于孔口下方，并不断堆高；中、 后期堆积体顶面与采空区顶板相接，之后浆液由堆 积体与顶板间隙挤压流出。 H采空区高度；Hs采空区顶板与注浆孔口距离； α充填堆积体堆积角 图 1 高浓度浆液充填空洞型采空区过程 Fig.1 The process of filling the gob with high concentration slurry 高浓度浆液充填空洞型采空区过程可分为 2 部 分，一是浆液在管道及钻孔内的挤压输送，二是在 采空区内的流动堆积扩展。 1.2.2 高浓度浆液管道输送阻力 有压管路输运中，注浆压力的损失包括管道沿 程损失和局部损失。 a. 沿程阻力 目前，浆液管道输送理论主要有 两相流理论扩散理论、重力理论及能量理论和流变 学理论，后者更适宜于浆料浓度较高的结构流体[16]。 R管道半径；r0柱塞流动区半径；r1剪切流动区半径；v 平均流速；τw管壁切应力；p浆液压力；Δpf管道压差 图 2 高浓度浆液管道内流动结构 Fig.2 Flow structure in high concentration slurry pipeline 基于流变学理论， 考虑管道输送壁面滑移效应， 根据阻力与压力之间静力平衡得到高浓度浆液水平 直管输送过程中的沿程阻力计算公式[17-19] 第 5 期 武博强等 煤矿空洞型采空区高浓度浆液充填扩展机制及控制措施 125 2 cm ff 2 fv PL D   2 其中， c c 16 f Re ， cs ReX Re， m s e Dv Re   ， c 8 1X D    ， 0 e 1 6 D v        ， p v c vm 1 2 d C C      -， w v ssw w ww C C C        ， Cvm由如下经验公式进行计算[20] 0.2690.172 vmsp 0.536Cd 3 式中Lf为管道长度，m；fc为范宁阻力系数；D 为 管道直径，m；ρm 为浆液密度，kg/m3；Rec为综合 雷诺数；Res为有效雷诺数；X 为修正系数；μe为有 效黏度，Pas；βc为滑移系数；v 为管内平均流速， m/s；ρs为固体颗粒密度，kg/m3；ρw为水的密度， kg/m3；Cv为浆液体积分数，；Cvm为浆液极限体 积分数，；Cw为浆液质量分数，；dp为平均粒 径，mm。 b. 局部阻力 在管路输运过程中， 管径突然扩 大或缩小、管径逐渐扩大或缩小、弯管等情况均会 产生局部阻力。局部阻力一般借助于实验或经验公 式求解[21-22]，其计算公式如下 2 m r 2 v P   4 式中ΔPr为局部阻力；ξ 为局部阻力系数，可由经 验公式获取。 1.2.3 高浓度浆液堆积扩展阻力 图 3 为高浓度浆液在空洞型采空区内的理想堆 积形态，当充填体充分接顶且充填量较大时，高浓 度浆液沿充填体与顶板相接触面的通道内流动，将 其简化为椭圆形管道流动，设其长半轴和短半轴长 度依次为 a 和 b，试验过程中，随着浆液堆积体范 围增加、强度增大，浆液断面的短、长半轴之比 b/a 逐渐减小图 4。 图 3 高浓度浆液堆积形态 Fig.3 High concentration slurry accumulation 图 4 高浓度浆液流动通道断面形态 Fig.4 Section morphology of high concentration slurry flow channel 假定注浆过程中流量不变，可得到其水力半径 R 为  π 2π4 Aab R bab     5 式中A 为过流断面面积；χ 为湿周。充填体内流动 通道过流断面形态对流动阻力的影响，由图 5 中可 以看出，充填过程中随着 b/a 减小，过流断面的水 力半径呈现出缓慢下降→急剧下降的过程。由此可 以看出，随着充填体扩展范围增大、强度逐渐增加， 在充填堆积体内部挤压流动的浆体通道扁平率逐渐 增大，流动阻力也随之增加。 图 5 断面形态对水力半径的影响 Fig.5 Influence of cross section shape on flow resistance 由于实际流动状态的复杂性，充填体内流动通 道不同位置处断面的水力半径可能不同，其与充填 速度、颗粒粒径和黏度等密切相关。以所产生阻力 损失相等的原则， 将实际充填通道 D0等效为在原有 通道 D 基础上的折减，即 0 DD，ξ＇为等效管径 系数，与浆液屈服应力、塑性黏度及充填时间负相 关，可由实验进行测定。则充填体内流体通道的阻 力计算公式可表示为 2 cm aa 0 2 fv pL D    6 式中fc′为与 D0相关的范宁阻力系数。 1.3 充填接顶范围计算 空洞型采空区高浓度浆液充填关键是控制接顶 面积的大小，最终充填结束时，充填压力 p 与阻力 处于平衡状态，因此 126 煤田地质与勘探 第 48 卷 famsr pPPPγ H  7 其中，浆液容重 mm γg。 联立式2、式4、式6式7可得，La计算 公式如下  msfr a 2 cm 0 2 pγHPP L fv D     8 2 充填影响因素及控制措施 根据上述理论分析，充填路径、浆液性质、充填 工艺是控制堆积体接顶面积的主要因素，通过 3 者的 合理调整，可使高浓度浆液在空洞型采空区内实现预 设的扩散范围与充填接顶面积，达到充填治理目的。 2.1 充填路径 充填路径对浆液充填过程的影响主要包含沿程 阻力、局部阻力、浆液重力 3 部分，其中沿程阻力 及局部阻力与接顶面扩散半径 La成负相关，浆液重 力与其成正相关。 模型中流量 Q 不变， 管道直径 D 与流速 v 有如 下关系 2 4 π Q v D  9 将所有参数及式9代入式2，可得 3 0 ff 43v p vm 964π 3π12π1 QD PL C DDd C       10 综合公式2、式4、式6、式10可知，当充 填流量不变时， 管道长度 Lf与沿程阻力 ΔPf成正比； 管道直径 D 与其非线性相关，是沿程阻力 ΔPf及局 部阻力 ΔPr最主要的影响因素；管路的弯头、变径 形式及数量与局部阻力 ΔPr相关，数量越多局部阻 力越大；浆液密度 ρm与局部阻力 ΔPr及浆液重力 G 均成正比；高差 Hs与浆液重力 G 成正比。 因此，高浓度浆液充填过程中，应尽量使注浆 距离接近于注浆孔口，并避免或减少弯头、变径数 量，在可以保证满管流的基础上适当增大充填管道 直径，以降低沿程阻力及局部阻力，使得充填泵有 更大的充填压力余量以控制浆液扩散范围。 2.2 浆液性质 2.2.1 流变性 由式6及式10可知，浆液屈服应力 0 、塑性 黏度 μ 与沿程阻力 ΔPf及充填体内流体通道的阻力 ΔPa成正比。 2.2.2 时变性 高浓度浆液的屈服应力和塑性黏度随时间不断 增长，会使沿程阻力 ΔPf及充填体内流体通道的阻 力 ΔPa增加，因此降低其屈服应力和塑性黏度增长 速度可增大接顶面扩散半径 La。 2.2.3 控制措施 可采用添加泵送剂或增稠剂，降低或增加浆液屈 服应力和塑性黏度；添加速凝或缓凝剂以加快或减缓 浆液凝结速率；小泵量充填间歇充填或大泵量充填， 以增加或缩短注浆时间的方式控制浆液扩散范围。 2.3 充填工艺 2.3.1 充填流量 由式2、式4、式6和式10可知，其他条件 不变的情况下，充填流量 Q 与沿程阻力 ΔPf及充填 体内流体通道的阻力 ΔPa成正比；其二次方与局部 阻力 ΔPr成正比。同时，由于浆液存在时变性，充 填流量越大，则充填结束所需时间越短，沿程阻力 ΔPf及充填体内流体通道的阻力 ΔPa越小。 因此，在初、中期阻力较低时采用大流量进行 充填，避免浆液凝固；后期阻力较大时，减小流量 以降低阻力，有利于形成大尺寸接顶面积。 2.3.2 充填压力 充填过程中，充填压力 p 不断上升，推动高浓 度浆液扩展，是控制堆积体接顶尺寸的主要因素。 充填结束时压力 pmax与接顶面扩散半径 La成正比。 2.3.3 控制措施 充填初期，浆液堆积体尚未接顶或接顶范围不 大，此时浆液输送阻力较小，应对充填流量进行控 制，视需求采用大小流量方式进行充填；充填中、 后期应以充填结束时压力为主要指标，控制高浓度 浆液扩展形态。 3 充填试验 3.1 试验方案 3.1.1 试验步骤 ① 搭建 2 m2 m0.5 m 实验平台图 6a； ② 进行浆料坍落度测定试验，确定水、灰、砂 材料配比； ③ 拌制浆液并通过充填泵经管路将高浓度浆 料进行泵送充填； ④ 采用三维激光扫描仪采集浆液堆积体三维 形态特征； ⑤ 通过三维建模软件构建浆液堆积体 3D 模 型图 6b； ⑥ 将注浆过程中充填堆积体 3D 模型进行叠 加，从不同角度切割剖面图 7，进行浆液堆积体形 态特征分析。 第 5 期 武博强等 煤矿空洞型采空区高浓度浆液充填扩展机制及控制措施 127 3.1.2 试验参数 充填试验过程的主要参数见表 1。 表 1 充填试验参数 Table 1 Filling test parameters 参数 初始数值 参数 初始数值 Lf/m 15 τ0/Pa 60 La/m 0 μ/Pas 2 D/m 0.04 ρs/kgm–3 3.2 Hs/m 0 ρm/kgm–3 1.8 Q/ms–1 4.210–4 dp/m 810–4 Cw/ 0.83 3.2 过程分析 3.2.1 堆积形态 充填开始至浆液堆积接触顶板前，注浆泵将浆 液输送至顶板出料口处，浆液受重力作用下落堆积 于地面，整体呈侧面微凹的圆锥状，剖面呈“凸”字 形。过程中，浆液堆积体不断堆高并产生滑塌及流 动，顶部在浆液下落冲击作用下形成直径约 15 cm 的凹坑。 接顶后，浆液从堆积体与顶板之间的接触部 位挤出。初期，浆液不断堆积于堆积体侧面，底 面尺寸变化不大，整体形态由侧面微凹的“凸”字 形发展至侧面微凸图 7，红色曲线；中后期，整 体侧面形态达到稳定图 7，绿色曲线，浆液呈层 状由接触面挤出并不断覆盖于原有堆积体上，整 体形态大致为圆台形，顶底面直径同步扩展至试 验结束图 7，蓝色曲线。过程中堆积体的堆积角 基本保持稳定。 图 6 试验装置及浆液堆积形态 Fig.6 Test equipment and slurry accumulation 图 7 高浓度浆液充填过程剖面形态 Fig.7 High concentration slurry filling process profile morphology 3.2.2 充填过程 图 8 为试验过程中充填压力与流量监测值，充 填泵流量约为 1.5m/h，接顶前20 min，注浆压力 约 0.055 MPa， 自 20 min 起浆液堆积体与顶板接触， 注浆压力逐渐上升，过程中浆液由接缝处挤出时， 压力有短时下降情况，150 min 后压力急剧上升， 175 min 时压力陡升至接近 2.5 MPa，注浆结束。 将表 1 参数代入式10可得 ΔPf0.052 MPa， 试 验过程中无弯头及变径，此时 ΔPr0，充填泵出口 与充填浆液出口高差为 0， ms 0γ H ，则管路输送 过程中沿程阻力为 0.052 MPa，与接顶前克服管道 阻力所产生的平均充填压力 0.055 MPa 接近。 图 8 充填试验过程压力及流量曲线 Fig.8 Pressure and flow curve during filling test 将充填试验中，压力变化过程与式8、式10 128 煤田地质与勘探 第 48 卷 进行结合，计算得到等效管径系数 ξ′随时间变化规 律，如图 9 所示。 由图 9 可知，充填试验过程中，高浓度浆液堆 积体接顶后等效管径系数大致处于 0.20.3，前中期 约为 0.28，后期逐渐减小至 0.25 左右，当小于 0.2 时注浆压力陡升，注浆结束。 图 9 等效管径系数与充填时间关系 Fig.9 Diagram of equivalent pipe diameter coefficient and filling time 3.2.3 试验结果分析 a. 充填过程 高浓度浆液充填空洞型采空区 过程与理论分析结果相符，前期自由堆积，后期浆 液由堆积体与顶板接触面挤出；整体堆积过程中， 浆液层层堆叠，在一个方向先行堆积，通道堵塞后 由另外的薄弱方向挤出，整体逐渐扩大；随着堆积 体体积扩大及发生凝结反应，充填压力逐渐增加， 直至达到充填泵压力极限停止工作。 b. 充填形态 试验条件下， 高浓度浆液在空洞 型采空区内能够形成顶小底大的近似圆台形堆积 体； 充填堆积体堆积角在充填过程中基本保持稳定， 与高浓度浆液坍落度相关，接近浆液自由堆积时的 堆积角；最终接顶面积主要受注浆泵最大充填压力 控制，增大压力可扩大接顶面积。 4 结 论 a. 构建了高浓度浆液充填空洞型采空区充填 过程数学模型，将其分为浆液在管道及钻孔内的挤 压输送过程以及采空区内的流动堆积扩展过程。 b. 将浆液在堆积体与顶板之间的挤出简化为 椭圆形流动通道，以此计算高浓度浆液在堆积体及 顶板间的流动阻力，并结合沿程阻力、局部阻力及 浆液自重，构建了高浓度浆液堆积体接顶尺寸计算 公式。 c. 通过试验，确定高浓度浆液可在采空区形成 圆台形堆积体，接顶面尺寸扩展范围主要影响因 素有浆液性质、注浆工艺及充填结束压力。 d. 高浓度浆液充填治理过程中，应减小充填泵 与注浆钻孔距离，并减少或避免弯头、变径数量； 同时可通过对浆液配比、外加剂、管道直径、充填 流量及压力的调整，实现充填形态的控制。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 李树志. 我国采煤沉陷区治理实践与对策分析[J]. 煤炭科学 技术，2019，47 136–43. 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