深部基岩地面预注浆模型试验及数值计算分析

马道局

(国投新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001)

随着20世纪80年代全国开始了大规模矿井开发，使得地面预注浆技术得到迅速发展。由于深部基岩注浆的隐蔽性的特点，注进的浆液难以直接观察，注浆的质量效果往往依靠人们的技术熟练程度和正确的施工方法，难以保证注浆堵水及加固效果，注浆过程中遇到的一些实际工程问题不能科学有效的解决。为了能够保证安全快速的施工要求，依托地面预注浆项目，采用模型试验方法，找出注浆规律，确定合理注浆质量控制方案显得尤为重要。

1 模型试验

1.1 试验设计

结合工程实际，本试验根据埋深不同的岩性组合来进行模型试验。试验由不同埋深的岩石组成7种不同的模拟岩层。注浆材料水灰比m、注浆压力p也选取7个值，各因素取值如表1所示。

表1 各因素情况表

试验设计采用3种因素(岩石渗透系数、注浆压力、水灰比)7个取值的方式，按照表2，表3进行试验设计。由表3可知3种因素试验应采用表2中第2，3，4列来安排试验，将采用的3种因素分别放在表3的后三列来安排试验。试验安排如表4所示。

表2 均匀设计

表3 均匀设计表的使用

表4 试验设计表

1.2 试验分析

浆液扩散半径(R)、注浆体抗压强度(P)的试验数据如表5所示。

表5 试验数据

根据表5的试验数据，利用计算机对注浆压力(p)、注浆时间(t)、浆液水灰比(m)、岩石渗透系数(k)、孔隙率(n)分析，得出影响注浆浆液扩散半径(R)的因素排列顺序由高到低的是:注浆压力(p)、岩石渗透系数(k)、注浆时间(t)、浆液水灰比(m)。影响注浆后的岩石抗压强度(P)的因素排列顺序由高到低的是:浆液水灰比(m)、注浆压力(p)、岩石渗透系数(k)、注浆时间(t)。由试验结果可以看出，注浆压力必须满足小于地层的起劈压力，因此说浆液的最大扩散半径是由地层本身结构决定的。从影响注浆后的岩石抗压强度的因素可以看出水灰比则占有明显的优势，这是因为注浆浆液是在不改变注浆岩层的原有结构的情况下，浆液排挤出岩层孔隙中的自由水和气体，增强注浆后岩石整体性。

2 数值分析

2.1 压力及渗透系数变化分析

将不同的扩散半径、不同的初始浆液压力以及不同的渗透系数之间模拟结果的比较来对岩层注浆机理进行分析。可以发现初始压力的大小并不会影响到浆液压力分布的比例，在相同扩散半径的情况下较高的初始浆液压力所产生的流速也较高，如图1所示。

当初始浆液压力依然为0.04个单位，渗透系数变为25的时候模拟结果见图2。可以发现，渗透系数的改变也不会影响到浆液压力的分布，两种不同的介质中，浆液扩散到同一半径的浆液压力随半径的变化是一样的。

图1 浆液压力为4个单位的浆液压力分布云图

图2 渗透系数为25个单位的浆液压力分布云图

2.2 扩散半径变化分析

1)浆液压力为4个单位，扩散半径为5 m，渗透系数为2.5时模拟结果如图3，图4所示。

2)浆液压力为4个单位，扩散半径为15 m，渗透系数为2.5时模拟结果如图5，图6所示。

图3 渗透半径为5 m的浆液压力分布云图

图4 渗透半径为5 m的拟合曲线图

图5 渗透半径为15 m的浆液压力分布云图

图6 渗透半径为15 m的拟合曲线图

通过数值模拟可以看出，模拟渗透注浆如采用水泥等粘时变流体作为浆液，在扩散半径达到某范围后，半径会迅速达到最大半径，这个半径受岩石渗透系数，浆液特性，浆液流量等因素控制。

3 主要结论

1)影响注浆浆液扩散半径(R)最主要因素是注浆压力(p)，最小是浆液水灰比(m)。扩散半径是由岩层原有结构决定的，其次才是和浆液的性质、注浆工艺参数有关。

2)影响注浆后的岩石抗压强度(P)最主要因素是浆液水灰比(m)，最小注浆时间(t)。注浆浆液不改变注浆岩层的原有结构，通过增强注浆后岩石整体性，提高注浆体强度。

3)本次数值模拟只是将不同的扩散半径不同的初始浆液压力，不同的渗透系数之间的模拟结果进行比较之后，对岩层渗透注浆的机理进行了模拟分析，没有考虑裂隙填充和劈裂注浆等过程。

4)地面预注浆是一项综合性、系统性的工程，工序多且复杂，工期紧，质量要求高，施工有一定难度。因此，应加强施工组织与管理，不断优化施工设计，严把各施工环节的质量关。

［1］崔广心.相似理论与模型试验［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1990.

［2］王 峰，曹光宇.简明实验力学［M］.北京:科学出版社，1993.

［3］周国庆.特殊地层含水层注浆加固参数与井壁附加力关系的研究［D］.徐州:中国矿业大学，1996.

［4］沈季良，崔云龙，王介峰，等.简明建井工程手册［M］.北京:煤炭工业出版社，2003.

［5］许金余，范建设，吕晓聪.围压条件下岩石的动态力学特性［M］.西安:西北工业大学出版社，2012.