低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究

2023-05-20王崇智邹光华李永鹏杨健男杨长益

华北科技学院学报 2023年2期

王崇智,邹光华,李永鹏,马龙,杨健男,杨长益

(华北科技学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

煤炭开采过程中,地质构造是影响其安全高效生产的重要因素[1],华北地区煤田地质条件十分复杂,断层带、陷落柱、风氧化带等各种地质构造带赋存,分布面积大。河南、山西、内蒙古等地区多数煤矿发现陷落柱的存在,直接影响到矿井的安全生产[2]。目前,注浆加固技术是用来控制围岩稳定的有效方法[3]。但是巷道中一些陷落柱和风氧化带内的介质主体为岩土,受地压作用,岩土压密程度高,渗透率低、内部裂隙少,浆液难以注入或注浆效果不佳,给煤矿安全生产带来了很大的影响。注浆在工程应用中已经得到了较大的发展,但是注浆理论还一直落后于现场实践,特别是低渗透介质中浆液的扩散机制研究尚处于摸索阶段,所以在工程实践中的部分注浆参数仍依赖于人为工程经验的判断[4],导致注浆材料的浪费和注浆效果不佳。并且在研究渗流、渗透扩散理论时把浆液简化为理想流体,使得注浆过程中的实际参数和理论计算存在误差[5]。因此,研究浆液在低渗透介质中的扩散机理具有很好的现实意义。本文通过理论研究,在试验模拟的基础上,观察浆液渗流渗透过程,分析扩散规律。

1 试验过程

1.1 可视化高应力注浆试验系统介绍

为研究浆液在高水压力、高地应力下孔隙渗透特征和扩散规律。结合原有的高压密封注浆试验系统[6],设计出能够进行实时监测,并得到浆液在低渗透介质中的微观扩散规律的可视化高应力注浆试验系统。此系统可以控制水压强和地应力,满足在高应力条件下的双液混合注浆,并能实现在试验过程中对浆液扩散规律的观察,而且可以对浆液渗流、渗透阶段的重要参数进行实时监测。

可视化高应力注浆试验系统的功能系统组成：介质装载系统、水压力调控系统、地应力调控系统、显微镜像系统、参数监测和图像显示系统,浆液注入系统。系统示意图如图1所示。

图1 可视化高应力注浆试验系统

1.2 实验设计与结果分析

浆液在模型中的渗透,除孔隙的渗透特征外,影响浆液和水运动的主要有粘性力和压力,因此,选用雷诺准则和欧拉准则,欧拉准则为从属准则,满足雷诺准则自动满足欧拉准则[7]。选用量纲分析法推导,选定几何相似常数aL=10,实验模型高度为0.5m,渗透性相似常数为1,注浆压力为0.3～0.5MPa。以平朔井工一矿太西区4#煤层中X5陷落柱为工程背景,被注介质配比与陷落柱充填物的渗透系数相似,颗粒组成拟合级配实验结果,见表1。

表1 颗粒组成及颗粒组成指标

在实验过程中,发现当陷落柱原岩应力较小,易形成渗流通道或面状扩散,沿着一个或几个路径向远离孔口的方向渗流,造成跑浆或周围岩体整体注浆效果较差,最终造成注浆效果差或者达不到注浆效果。为改善浆液渗流与渗透效果,采用间歇式注浆工艺[8],即在注浆过程中当注浆压力难以上升时,可能形成跑浆,可根据注浆量暂停3min,使浆液固结封闭渗流通道,再注浆形成新的通道,最终在注浆孔周边形成一个较为稳定的注浆加固圈,图2为间歇式注浆渗透模型图。

2 扩散机理分析

注浆试验完成后,得到固结体的上方为面状固结,下方为球状固结,经测量,其上部的渗流半径为23cm,下部球形固结半径约为20cm左右,而渗流通道周边的渗透范围为3.5cm左右;剖开下方的球形固结体,如图3所示,固结体内部形成多个渗流通道,通道周边交叉渗透最终形成固结体。

图2 间歇式注浆渗透模型示意图

图3 固结体模型图

经过分析固结体,发现浆液从下部逐渐向上部渗透,渗透半径逐渐增大,当到达一定位置时,渗透半径快速增大,并形成近似球体状。浆液在注浆管周边有一个浆液渗流的优势路径,并在渗透过程中形成带状或柱面状,当浆液上升到一定高度时,浆液渗透的优势路径逐渐形成平面状,在优势路径周围的扩散形式主要表现为孔隙渗透。通过试验过程发现,浆液的扩散过程主要为两种[9]：一是形成渗流通道,浆液沿着岩土中的裂缝进行面形渗流扩散,含水量丰富时,泥砂呈酥软态,注浆压力不断增大,达到极限时浆液再次被压力推入泥砂介质中,进行柱形渗流扩散,出现另一条渗流通道;二是渗流通道周围孔隙渗透,以不改变岩土体内部颗粒分子排列状态为前提,把浆液充填到颗粒两边的缝隙里,将松散岩土层胶结成一体[10]。浆液的扩散形式一般有面形和柱形两种[11],柱形扩散即浆液的扩散轨迹呈现圆柱状,面形扩散即浆液的扩散轨迹呈板面状。

3 孔隙渗透机理分析

在岩土层中,浆液的流动是繁杂多样的,它的流动状态受到注浆参数、浆液的性质、地理环境等条件的影响。在以上条件影响下,注浆浆液会伴有劈裂、渗流、渗透等流动方式[12]。但多数情况下,总会按照某一个特定方式流动。渗透注浆就是在没有达到能够破坏岩土体内部排列构造的压力情况下,将浆液压入到被注体内部的裂隙和孔洞中,把其内部水分子或气体排出的过程。根据图3所示实验结果,得到微观孔隙渗透机理如图4所示。结果表明,发现浆液的孔隙渗透实际就是液体开始渗入、絮凝、破坏絮凝层三个阶段不断循环的过程。

图4 微观孔隙渗透机理图

从主剂与固化剂混合开始至这一时刻所经历的时间,称为“絮凝时间”。通过目测法和图像法,发现在絮凝反应过程中,伴随搅拌,主剂与固化剂混合液沿搅拌轨迹由半透明逐渐变化为晶亮丝状褐色絮体;絮凝产物为丝状;絮凝后混合液颜色渐变加深,如图5所示。

图5 絮凝反应图

设计不同含水率条件的实验方案,进行凝胶与絮凝分析,发现絮凝及凝胶时间随着被注介质含水率的增加而延长,凝胶、絮凝时间关系曲线图如图6所示。

图6 不同含水率下浆液凝胶、絮凝时间关系曲线图

3%含水率：tx=2′20″tn=4 ′20″ ;6%含水率：tx=2′46″tn=4 ′50″ ;

9%含水率：tx=2′57″tn=5 ′22″ ;12%含水率：tx=3′15″tn=6 ′00″。

式中,tx为絮凝时间;tn为凝胶时间。

由图可以得出规律,随着含水率的增大,浆液的凝胶时间延长,其固结难度增大,且固结体强度减低,因此当被注介质含水率较高时,浆液不易凝固,且凝固后的强度较低,难以达到加固目的。

絮凝的过程是持续发生的,絮体从最初的极小颗粒,将逐渐相互连接吸附,变成较大的线状、片状或块状絮体。当浆液中较大的絮体达到一定比例后,虽整体浆液仍具有一定流动性,但其在细小孔隙中的渗流时易于堵塞孔隙通道,渗透能力将明显降低。

浆液开始进入渗流通道中,随后渗流达到一定压力极限后,便开始进行通道周围的孔隙渗透。最初浆液注入被注介质时,因为注浆压力的存在,被注介质内部产生渗流通道,之后浆液通过渗流通道,在岩土层周围的孔隙内渗透。等渗透到一定时间后,浆液分子颗粒逐渐絮凝,经过一段时间后,凝絮细小颗粒逐渐增多,凝结成一个线状或团状的絮体,由于体积的不断增大,无法通过其接触面的泥砂层缝隙,所以被拦隔形成薄层,凝结条状絮体和絮凝层将多个微小孔洞封堵,渗透性逐渐变差,水压强和浆液压力发生变化。当渗流通过大孔隙通道时,由于压力的存在,絮凝层被损坏,少量浆液没有被絮垫滤过直接进入到孔隙中,产生新的渗流通道,使浆液在新的通道内开始扩散。此过程循环重复,最后形成固结体。

浆液在孔隙中的渗透扩散,就是浆液逐渐充填岩土体内部孔洞的过程。从注浆口开始,由于注浆压力的存在,浆液会克服孔隙水压力和孔隙通道的各种阻力,进入孔隙通道并占据其空间,随着浆液的不断供给,不断重复前述过程。浆液从注浆口均匀向四周扩散,浆液分布特点为注浆口最多,而四周处随距注浆口距离增大而减少。所以当距注浆口距离越大时,沿程压强损失越大,注浆压力越小,扩散半径越小。