泥砂介质注浆渗流通道形成力学机理分析

师皓宇，田 多，郭富贵，曹 健，吕 客

(华北科技学院，北京东燕郊101601)

泥砂介质注浆渗流通道形成力学机理分析

师皓宇，田 多，郭富贵，曹 健，吕 客

(华北科技学院，北京东燕郊101601)

为研究在泥砂介质中的注浆渗流通道形成机理，设计了注浆实验系统;并由实验结果可知化学浆液在泥沙介质中渗流的主要形式为柱形渗流和面形渗流两种;在格里菲斯判据的基础上，推导了浆液形成渗流通道所需要的最小注浆压力pmin;在渗流力学的基础上分析了浆液在介质中渗流的的压力损失，得知浆液在渗流通道不同位置处的注浆压力p1;当p1＞pmin时，浆液将劈裂被注介

质形成新的渗流通道;当p1＜pmin时，浆液将停止劈裂被注介质，该通道封闭。

泥砂介质;注浆;渗流通道;压力损失

溃砂或水砂突涌是近松散层采掘时含砂量较高的水砂混合流体溃入井下工作面并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害［1］。1987年以来，兖州、济宁及徐淮地区等有100多个井筒遭受了严重的破裂变形和突水突砂灾害，造成数百亿元的巨大经济损失，形成重大安全隐患［2-3］。注浆防渗和地层加固技术是用于治理破裂井壁及溃砂灾害的有效手段。注浆技术无论在理论上还是在实际应用上，都取得了很大的进展，但仍然存在着许多问题，有待于深入研究和解决。目前，人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化，这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大［4-5］。

1 工程概况

平朔井工一矿始建于2003年，现矿井主要开采太西区的4#煤层。太西区大部分为41-2煤层分岔区，合并区域不到1km2。现有生产工作面4106、4107、4108三个，均布置在太西区。4107回采工作面前方存在陷落柱X7;4108回采工作面前方存在陷落柱 X5。使得太西区4#煤层的4107、4108回采工作面开采时，均会不同程度地受到影响，打乱生产布局，增加巷道掘进量和煤炭损失储量，使工作面易发生冒顶、溃砂、支架陷入底板甚至突水事故。

为实现安全高效通过陷落柱，拟对工作面顶底板进行注浆加固，本文通过实验研究了泥沙介质为充填物的陷落柱内注浆渗流通道形成的力学机理。

2 注浆实验分析

2.1 注浆实验设计

为了模拟矿区实际地质环境，设计具有一定的强度，能够承受较大压力的铁筒作为注浆容器，将直径50 cm、高度50 cm的容器，活动型底部，中心预留直径5 cm的注浆口的盖子，综合称为“ST-50型注浆试验台”，如图1所示。

图1 ST-50型注浆试验台

注浆过程中浆液和水在孔隙中的运动，是浆液和水(两种流体)在惯性力和压力、粘性力、重力等各种力的作用下综合反映的结果。直接影响流动的力是惯性力，流动的变化，就是惯性力和主动力相互作用相互制约的结果。该条件适用雷诺准则，即要求模型和原型两种流动的惯性力和粘性力成比例，雷诺数相等，表示粘性力相似。凡流动相似的流动，必是几何相似、运动相似和动力相似的流动。几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据，确定几何相似常数αL=10。根据变头水渗透试验结果可知，井工一矿原位岩体的渗透系数为0.98E-5 cm/s～2.78E-5 cm/s，平均为1.88 E-5 cm/s，渗透性相似常数定为1。被注介质按照颗粒组成实验结果，选用用黄土、细砂、石子、水等按照一定的比例来混合［1，2］，如表 1所示。

表1 颗粒组成表

2.2 注浆实验结果分析

图2为注浆后剖开模型，由图可知，在泥砂介质中，浆液的渗透主要包括渗流通道的形成而通道周边的孔隙渗透。浆液渗透过程实际是一个寻找或渗流通道的过程，浆液先不断的寻找或制造渗流通道，再从通道或路径不断的渗透到周边的砂土中，当一条通道不能渗流时，增加注浆压力，就会寻找或制造另一条通道［3，4］。

图2 浆液渗流实验分析图

浆液渗流通道主要有柱形和面形两类，柱形扩散是指浆液扩散过程中，浆液沿着近似圆柱的空间运动。浆液的“面状扩散”模式，是指浆液扩散过程中，浆液沿着近似平面的空间运动［5］。本文仅针对柱形渗流通道的形成机理进行深入研究。

3 通道形成机理分析

脆性材料的内部存在许多裂纹，在外力作用下，微裂纹的尖端附近产生很大的应力集中，当所聚集的能量达到一定值时，裂纹将开始扩展，格里菲斯强度理论仅考虑岩石开裂而非宏观破坏。而陷落柱充填物以砂土介质为主，属于脆性介质，据试验克制注浆是一个不断寻找或制造通道的过程，当形成渗流通道的过程即为砂土介质劈裂破坏过程，因此其过程满足格里菲斯理论的应用条件，根据格里菲斯强度理论判断:

图3 注浆劈裂形成渗流通道计算模型图

当渗流通道内存在注浆压力时，作用在微裂隙的应力由图3所示，将通道端面处的浆液压力代入公式(1)时可得:

式中:σ1——注浆位置处被注体最大主应力，MPa;σ3——注浆位置处被注体最小主应力，MPa;σt——注浆位置处被注体抗拉强度，MPa;P——浆液端面处的应力。由公式(2)可得:

式(3)为浆液在被注体中形成渗流劈裂通道的基本条件，由于注浆液体粘滞性，浆液在渗流通道内的存在应力梯度，当浆液压力P不符合上式条件时，该渗流通道关闭，浆液又开始寻找或制造新的渗流通道。此时浆液渗流距离即为最大渗流半径。

图1显示，我国高技术产业全要素生产率及其分解指标均呈现不同波动，前期波动较大，2014年后趋于平稳，具体来看，在2009～2010年处于比较低的增长水平，到2010～2011年，大部分指标出现大幅增长，之后下降并趋于平稳。

4 通道内浆液应力损失分析

根据流体力学可知，水平放置的等径直圆管内流体作定常层流［7］。从中取出一轴心与管轴重合的微小圆柱流体，分析其在水平方向(x方向)上的受力。

图4 柱形通道内浆液力学分析图

注浆压力一般为3 MPa以上，远大于浆液的重力，故忽略质量力，两端面上的压力差与圆柱体侧表面上的粘性摩擦力相等［8，9］，则:

式中:v——浆液过断流面的流速，p1——浆液起始断面的压力，p2——浆液起始断面的压力，R——流动成圆管面的半径，r——取出微小圆柱流体的半径，μ——浆液的粘度，l——浆液流过的长度。

由公式(5)可得流量为:

上式反映了流量q、压强差Δp与管直径d的关系。浆液流量随渗流通道内径越大增大而增大，随注浆压力与介质内静水压力之差的增大而增大，随浆液的粘度增大而减小。

柱形渗流通道压力压力损失为［10］:

由公式(9)可以看出，当注浆压力为pe时，距注浆孔为l时，浆液的压力为:

由公式(10)可看出，随着浆液渗流路径的增长、渗流速度的增大，浆液在渗流通道的压力注浆减小，而渗流通道的孔径、雷诺数的增大，则有利于浆液的渗流扩展［11］。

5 结论

1)根据陷落柱赋存特征，设计了注浆实验方案，并由实验可知，浆液在泥沙介质中渗流机理是浆液在注浆压力的作用下在介质中劈裂形成渗流通道。

2)本文依据格里菲斯判据，考虑浆液压力作用，推导了浆液渗流通道形成的条件，主要与地应力、介质抗拉强度以及注浆压力有关。

4)当p1＞pmin(形成渗流通道所需最小注浆压力)时，浆液将继续在劈裂被注介质形成新的渗流通道;当p1＜pmin时，浆液将停止劈裂被注介质。

3)通过分析浆液在介质中的压力损失可知:随着浆液渗流路径的增长、渗流速度的增大，浆液在渗流通道的压力注浆减小，而渗流通道的孔径、雷诺数的增大，则有利于浆液的渗流扩展.

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Mechanical Mechanism Analysis of Forming Grouting Seepage Channel in Clay sand Medium

SHI Hao-yu，TIAN Duo，GUO Fu-gui，CAO Jian，LV Ke

(School of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China)

In order to research the forming mechanism of grouting seepage channel in the clay sand medium，Designed the grouting experiment system;And knowing the chemical grouting seepage in the clay sand medium mainly have two main forms that cylindricality seepage and surface shape seepage by the experimental result;On the basis of Griffith criterion，deduced the minimum grouting pressure pminthat forming the Chemical grouting seepage channel，Analysis the pressure loss of the Chemical grouting seepage in the medium on the basis of percolation mechanics，obtained Grouting pressure p1that in the different positions of the seepage channel;when p1＞pmin，Chemical grout will split the medium that forming new seepage channel;when p1＜pmin，Chemical grout will stop split，the Channel is closed.

Clay Sand Medium;Grouting;Seepage Channel;Pressure Loss

TD265.4+4

A

1672-7169(2014)01-0048-04

2013-11-14

中央高校基本科研业务费资助(3142013100);华北科技学院基金资助项目“注浆技术在地质构造带的加固机理及应用研究”(JWC2013B)

师皓宇(1979-)，男，内蒙乌兰察布人，硕士，华北科技学院安全工程学院讲师，研究方向为巷道支护与注浆技术。E-mail:shihaoyu2000@163.com