采空区松散堆积物注浆模型试验研究

刘亚明

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

随着我国经济的持续快速发展，大量的公路、铁路在西北、华北及东北等地修建，不可避免地途经这些地区早期开采煤炭后的采空区。注浆法作为治理采空区的一种重要方法，在治理采空区的过程已经被广泛应用。童立元[1]、丁庆军[2]、刘人太[3]和谷天峰[4]等大量学者对此进行了研究，但这些研究主要集中在注浆材料方面。在现场注浆施工过程中，浆液的流动是在被注介质内部的，很难观测到浆液的运动和分布情况，隐蔽性和不确定性是注浆工程最大的特点，这就使得注浆设计和施工存在很大程度的盲目性和局限性。杨坪[5]、湛铠瑜[6]和钱自卫[7]等学者在注浆模拟实验方面做了大量的研究，但对浆液在采空区松散堆积物中的充填及扩散规律重视不足。

本文用不同粒径的煤矸石模拟采空区松散堆积物，设计两个注浆模型，探讨注浆压力 P、浆液水固比 m、孔隙率 n和注浆量Q对浆液扩散距离的影响，研究水泥黄土浆液在采空区松散堆积物中的扩散规律。

1 注浆模型设计及控制

1.1 注浆模型设计与原理

本次注浆模型试验，拟设计两种注浆模型对浆液的扩散规律进行探究。

1.1.1 模型箱注浆试验

模型箱注浆试验装置是结合实际情况自行研制的，由4部分组成:供压装置、储浆容器、试验箱和控制系统。

该模型试验的供压装置采用气压控制器来提供和调节注浆压力，气压控制器由计算机上的软件通过伺服系统进行调控，通过输入指令可以给活塞式注浆筒提供既定气压;储浆容器选用活塞式注浆筒储浆，活塞式注浆筒直径8 cm，长50 cm，最大承压1.0 MPa;试验箱由木结构支架和有机玻璃组成，外观尺寸:400×400×400 mm，中间有一个活动板，可以自由移动。长和高均为400 mm，宽可在0～400 mm间变化，这样可以根据需要来调整试验箱的大小;控制系统由自行开发的数据采集及控制软件和位移传感器、气压液压传感器、数据采集卡等共同构成(见图1)。

图1 模型箱注浆试验工作原理图

1.1.2 压力注浆模型试验

该试验装置也由四部分组成:供压装置、储浆容器、透明管和控制系统。其中供压装置、储浆容器和控制系统沿用模型箱注浆试验中的装置。

透明管选取内径为7 cm的有机玻璃管，长度分别为1 m。两端用经过加工的亚克力板和橡皮圈进行密封，两板之间用丝杆、螺帽和垫片进行固定(见图2)。

图2 压力注浆模型原理图

1.2 松散堆积物介质的制备

模型试验主要模拟采空区的松散堆积物，以煤矸石块为主。本试验选取铜川矿务局常家山煤矿的原状煤矸石对采空区堆积的松散物质进行模拟，分别由5～50 mm，50～100 mm，＞100 mm三种单粒级和一种连续级配(三种单粒级碎石各占总质量1/3)的碎石构成(见图3及表1)。

表1 不同颗粒配下堆积物的孔隙率

图3 各单粒级的碎石

1.3 浆液选择及性能

在进行模型试验之前，我们选取不同水固比、不同水泥掺量的黄土水泥浆液进行了大量的基本性能试验，根据试验结果，浆液的水固比选取三个变化值 1:1.0、1:1.2、1:1.4，水泥掺量均为25%。三种浆液的析水率为15% ～25%，粘度为32～37 s，初凝时间为 1 600～3 000 min，终凝时间为3 000～4 500 min，结石率在70% ～81%之间，28 d抗压强度为 0.6 ～0.8 MPa。

2 试验过程控制

2.1 模型箱注浆试验

本试验的控制变量为浆液的水固比、注浆压力、松散物质孔隙率，注浆压力拟选取为 0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa，保证浆液可以顺利注入;松散物质孔隙率拟选为0.45、0.50、0.55(由于松散物质的孔隙率无法严格控制，故允许其有 0.005的误差，下同)。

为方便观察实验过程，本试验注浆管口在模型试验箱中心贴侧壁固定。根据位移传感器记录的数据，在注浆过程结束后，确定注浆量。

2.2 压力注浆模型试验

与模型箱注浆试验相同，本次试验浆液的水固比选取三个变化值 1:1.0、1:1.2、1:1.4，水泥掺量均为 25% 。注浆压力拟选取为 0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa，保证浆液可以顺利扩散满整个水平管的空间，在浆液进出口处分别安装传感器，记录压力数值。

该压力注浆模型试验选取内径7 cm、长1 m的有机玻璃管用一定级配煤矸石块充填模拟松散堆积物注浆，由于径向距离相对于水平距离很小，因此可以忽略浆液在径向的扩散，只考虑浆液在水平方向的扩散。

3 试验结果及分析

3.1 模型箱注浆试验

3.1.1 注浆量与实际空隙的关系

由试验结果可以看出，各组试验的注浆量均小于设计孔隙率对应的空隙体积。这是由于浆液具有一定的稠度，在小颗粒排列比较紧密的时候难以充填小颗粒间的孔隙，而将小颗粒的集合体整体包裹起来形成一个有机整体，在一定程度上减少了注浆量。

3.1.2 结石体的微观结构

图4 注浆后结石体微观结构

由图4可以看出，黄土水泥浆液与松散物质形成结石体后胶结良好，黄土水泥浆液中的固体颗粒在结石体中分布均匀，在松散物质周围可与其形成较好的胶结体。浆液充填松散堆积物胶结形成的结石体多呈圆柱体或圆台体。胶结范围随压力增大而明显增大。

3.1.3 实验数据分析

根据表2中的试验数据，进行注浆压力 P、浆液水固比m、孔隙率n和注浆量Q对浆液扩散距离R影响规律的优化回归分析，得到下面关系式:

式中:R为浆液扩散距离(cm)，n为堆积物孔隙率，m为浆液水固比，Q为注浆量(L)，P为注浆压力(MPa)。

由上式可以得到结论:影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率，其次是注浆量和浆液水固比，注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小。

3.2 压力注浆模型试验

3.2.1 浆液通过松散堆积物压力损失原因

浆液在松散堆积物中通过弯曲无规则的通道流动，其压力损失是由浆液流速在各处的不均匀性、浆液与堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的。

浆液在松散堆积物中极小的一段微距离中的流动可等效为在直管道中的流动，由于液体具有粘滞性，紧靠管内壁上有一层浆液流速为零，粘附在管内壁不动，而管轴线上的流速最大。沿半径，圆心到管壁流速是渐减的，里圈的浆液流速大于外圈，这样里圈与外圈的浆液流速不同，发生了相对运动，产生了浆液之间的内部摩擦，浆液克服内摩擦力作功就产生了能量损失。速度越大，里圈与外圈浆液的内部摩擦就越剧烈，能量损失就越大。由于能量损失，浆液的动能减小，流速降低，直接表现出来的就是浆液压力不断减小，通常认为压力的减小与流速的平方成正比。而松散堆积物中的通道可以认为是很多段这样的直管道组成的，这样就造成了压力的大量损失。另一方面，浆液在流动过程中与堆积物不断发生碰撞也是造成压力损失的原因之一。由于浆液流速比较大，在发生非弹性碰撞后，部分能量转化为热能，导致动能降低，流速降低。浆液继续流动，其与堆积物继续发生碰撞，重复上述过程，直至流出透明管。此外，浆液在扩散过程中，与粗糙不平的堆积物表面发生摩擦，部分动能转化为热能，使浆液流速降低，也是压力损失的一个原因。

表2 模型箱注浆试验结果统计表

3.2.2 各因素对浆液扩散速率的影响

由表3可以看出，当孔隙率和水固比一定时，注浆压力每增加0.1 MPa浆液扩散1 m所需时间减小幅度达12 s左右，浆液扩散速率平均增大 0.92 m/s;当水固比和注浆压力一定时，孔隙率每减小0.05浆液扩散1 m所需时间减小幅度达6 s左右，浆液扩散速率平均增大0.90 m/s;当孔隙率和注浆压力一定时，固体所占比值每降低0.2浆液扩散1 m所需时间减小幅度达3 s左右，浆液扩散速率平均增大0.45 m/s。

根据不同变量下浆液扩散1 m所需时间变化幅度大小和浆液扩散速率增量大小可以看出，对浆液扩散速率影响最为显著的是注浆压力，其次是堆积物孔隙率，浆液水固比影响最小。

表3 压力注浆模型试验结果统计表

4 结语

(1)对模型箱注浆试验数据进行回归分析，可以得到注浆压力P、浆液水固比m、孔隙率n和注浆量Q四个因素与浆液扩散距离之间的定量关系，可用式1进行拟合。由式1可以看出，影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率，其次是注浆量和浆液水固比，注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小。

(2)浆液在松散堆积物中通过弯曲无规则的通道流动，其压力损失是由浆液流速在各处的不均匀性、浆液与堆积堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的。

(3)对浆液在松散堆积物中的扩散速率影响最为显著的是注浆压力，其次是堆积物孔隙率，浆液水固比影响最小。因此，在实际注浆工程中，应适当提高注浆压力，以便浆液可以扩散到预定距离。

[1]童立元，潘石，邱钰，等.大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究[J].东南大学学报(自然科学版).2002，32(04):643 －647.

[2]丁庆军，张高展，王红喜，等.工业废渣无水泥双液注浆材料的研究[J].硅酸盐通报.2007，26(02):282－286.

[3]刘人太，李术才，张庆松，等.一种新型动水注浆材料的试验与应用研究[J].岩石力学与工程学报.2011，30(07):1454 －1459.

[4]谷天峰，孙忠弟，骆凤涛，等.水泥 －黄土注浆充填材料的试验研究[J].工程地质学报.2014，22(01):98－105.

[5]杨坪，唐益群，彭振斌，等.砂卵(砾)石层中注浆模拟试验研究[J].岩土工程学报.2006，28(12):2134 －2138.

[6]湛铠瑜，隋旺华，高岳.单一裂隙动水注浆扩散模型[J].岩土力学.2011，32(06):1659 －1663.

[7]钱自卫，姜振泉，曹丽文，等.弱胶结孔隙介质渗透注浆模型试验研究[J].岩土力学.2013，34(01):139 －142.