千米凿井工作面注浆堵水三维数值模拟研究

徐 波 王世华 孔德森

(1.济宁矿业集团安居煤矿,山东省济宁市,272000;2.山东科技大学,山东省青岛市,266000)

千米凿井工作面注浆堵水三维数值模拟研究

徐 波1王世华1孔德森2

(1.济宁矿业集团安居煤矿,山东省济宁市,272000;2.山东科技大学,山东省青岛市,266000)

针对安居煤矿井筒工作面涌水量大的问题,采用ABAQUS软件建立工作面注浆三维数值模型,利用有限元计算对注浆前后的孔隙水压力、孔隙水渗流速度以及井筒涌水量进行研究分析,结果表明,工作面注浆有效地封堵了破碎围岩中的孔隙,从而封堵了水力通道,降低了围岩的渗透能力,使围岩孔隙水压力基本保持原有的状态,减小了对围岩初始状态扰动,对井壁受力及地层稳定具有积极作用。

工作面堵水 注浆 数值模拟 渗流速度

1 工程概况

工作面注浆技术被广泛应用于立井井筒施工建设,特别是在含水层厚度大、含水丰富、水压大的基岩地层中。济宁矿业集团安居煤矿副井设计深度为1008 m,施工掘至井深630 m处出现大量涌水(约110 m3/h)。在井筒掘进工作面进行注浆堵水,本文结合注浆实践对其进行三维数值研究分析。

2 三维数值模型的建立

岩土材料是非连续的,在岩土孔隙中存在着气、液相介质,当孔隙连通时,流体可在不平衡的势能作用下发生渗流。井筒注浆过程中,围岩、注浆圈、井壁是3种不同性质的材料,三者力学参数具有较大差异,渗透性相差悬殊,流体在三者孔隙中流动的规律截然不同。利用ABAQUS软件,建立安居煤矿工作面注浆三维数值模型。

2.1 基本假设

(1)含水层是均质各向同性的,顶部和底部隔水层水平,受承压水作用,模型顶部水头50 m,模型外围有常水头补给地下水。

(2)渗流引起孔隙介质应力和变形不予考虑,不考虑井筒开挖引起的变形。

(3)围岩、注浆圈、井壁渗透系数为常数,不随时间、位置而发生变化。

2.2 材料参数

根据安居煤矿地层特征以及注浆前后压水试验成果确定围岩及支护结构的力学参数,力学参数采用加权平均法进行确定,见表1。

表1 材料力学参数表

2.3 本构模型

考虑井筒工作面注浆堵水能够影响到的区域特性,本次数值分析采用两种本构模型。

(1)线弹性模型。

线弹性模型的本构方程为:

式中:σ——应力分量,M Pa;

εel——应变分量,M Pa;

Del——弹性矩阵。

注浆圈及井壁结构力学参数相对围岩较大,强度较高,所以在分析中采用线弹性模型。

(2)线性Druker-Prager塑性模型.

线性Druker-Prager塑性模型的屈服准则为:

式中:t——偏应力参数;

p——等效压应力,M Pa;

β——摩擦角,(°);

d——粘聚力,N。

井筒围岩可采用线性Druker-Prager塑性模型。

2.4 计算区域

根据安居煤矿井筒勘察报告,井筒垂深630～760 m,穿过的基岩主要为侏罗系J31、J32及J33段和二叠系石盒子组上段,预计井深630 m以下地层为含水层,岩石竖向裂隙发育。该施工段范围内井筒含水层厚度约为130 m,设计注浆段高为150 m,计算区域竖向尺寸取为300 m。井筒降水的影响区域在井筒周边300 m范围。计算区域如图1所示。

2.5 边界条件

(1)应力边界条件。根据安居煤矿探水报告可知,井筒垂深630～760 m为含水层,需设定模型水头边界。水头边界为应力边界条件,在模型的外侧按照进行水头边界的设置,上表面水头为500 kPa,下表面水头为2000 kPa。在井壁内侧和井筒工作面设置水头为零的边界来模拟渗流内边界的排水条件。

图1 计算模型图

(2)位移边界条件。不考虑井筒开挖等引起的变形,以此约束节点的位移自由度。

3 数值计算结果分析

通过有限元三维数值模型计算,从孔隙水压力变化、渗流速度的变化以及涌水量的变化3方面来研究工作面注浆的工程效果。

3.1 孔隙水压力的对比分析

注浆前后工作面附近的孔压变化云图见图2。

(1)注浆前。工作面以上围岩中包含的孔隙水在井筒内外水头差的作用下通过围岩裂隙中的水力通道绕过井壁结构涌入井筒内部;工作面以上围岩通过孔隙向井筒内泄水的影响高度超过20 m;地层孔隙水压力的变化将引起上部土层的不均匀沉降,而土层沉降将拉动井壁向下运动使井筒结构受力不均匀,局部甚至可能出现拉应力,对井筒安全产生不利影响。

图2 注浆前后工作面附近的孔压变化云图

(2)注浆后。工作面以上围岩的孔隙水压力基本保持平行,涌入工作面的孔隙水量较小;注浆后围岩结构的孔隙水压力变化极小。

图3 注浆前后孔隙水的渗流速度分布图

3.2 渗流速度的对比分析

注浆前后孔隙水的渗流速度分布图见图3。

(1)注浆前。向上的最大渗流速度发生在工作面位置,为1.18×10-3m/s,向下的最大渗流发生在工作面上部5 m位置,为-4.1×10-4m/s;根据渗流速度可得,注浆前井筒涌水包括绕过井壁结构涌入井筒内以工作面为基准面的上部围岩孔隙水和通过工作面排水边界涌入井筒的下部围岩承压水,下部涌水渗流速度较大,涌水量所占比例较大,是井筒涌水的主要组成部分。

(2)注浆后。向上的最大渗流速度位于工作面位置,为7.01×10-5m/s;向下的最大渗流速度位于工作面上部5m范围之内,为-6.35×10-5m/s;与注浆前的渗流速度进行对比发现,注浆后向上的最大渗流速度变为原来的5.9%,井壁后向下的最大渗流速度变为原来的15.5%。

注浆前后工作面的孔隙水渗流速度曲面图见图4,可以看出,注浆前孔隙水平均渗流速度为1.14×10-3m/s,注浆后孔隙水平均速度为6.24×10-5m/s,工作面注浆后孔隙水渗流速度变为原来的5.5%。

3.3 涌水量的对比分析

涌水量由经验公式求得:

式中:Q——井筒涌水量,m3/s;

q——井壁附近水流的渗流速度,注浆前取

1.14×10-3m/s,注浆后取6.24×

10-5m/s;

A——井筒断面积,取28.26 m2;

t——时间,s。

经计算,井筒工作面注浆前的涌水量Q前为116.0 m3/s;井筒工作面注浆后的涌水量Q后为6.4 m3/s。

安居煤矿探水孔涌水量试验结果约为110 m3/h,注浆后涌水量降为8.6 m3/h,与本次数值计算的结果基本相符。

图4 注浆前后工作面的孔隙水渗流速度曲面图

4 结论

本文利用三维数值模拟对安居矿井工作面注浆技术进行研究分析,取得以下研究成果。

(1)工作面注浆有效地封堵了破碎围岩中的孔隙,从而封堵了水力通道,降低了围岩的渗透能力,使围岩孔隙水压力基本保持原有状态,减小了对围岩初始状态扰动,对平稳井壁受力和稳定地层具有积极作用。

(2)工作面注浆提高了围岩的抗渗性能,降低了孔隙水的渗流速度,减少了孔隙水对围岩性能的影响。

(3)掘进工作面注浆前的井筒涌水量约为116 m3/h,而注浆后变为6.4 m3/h,注浆堵水率为95%。

[1] 王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000

[2] 姜玉松.现代注浆技术的开拓应用及发展[J].现代隧道技术,2007(2)

[3] 王惠民.流体力学基础[M].北京:清华大学出版社,2005

3D numerical simulation research on blocking up water grouting at one thousand meters underground shaft sinking working face

Xu Bo1,Wang Shihua1,Kong Desen2
(1.Anju Coal Mine,Jining Coal Minging Group Co.,Ltd,Jining,Shandong province 272000,China;2.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong province 266000,China)

In view of the issue of big volume of water inrush at shaft sinking working face of Anju coalmine,a 3D numerical model is established by using of ABAQUS software.Calculated by using finite element,research and analysis are made on pore water pressure,seeping speed,and water inrush volume in the shaft before and after grouting.The result indicates that,working face grouting could block up pores among the fragmented surrounding rocks effectively,and hence block up water passages,reduce water infiltration capacity to the surrounding rocks,make the pore water pressure in the surrounding rocks keeping at its original state roughly and reduce disturbing to it.These could p lay a positive role on stabilizing shaft wall and stratum.

water blocking up at working face,grouting,numerical simulation,seeping speed

TD262.62

B

徐波(1982-),男,就职于济宁矿业集团安居煤矿,硕士,从事矿井建设与矿山地质工作。

(责任编辑 梁子荣)