深孔分段注浆的数值模拟研究

徐 华，吴 壮，王 刘

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232000)

0 引言

注浆锚索作为巷道固定在深部岩层，为张拉锚杆产生可靠的注浆工具，对提高围岩自承能力及加固效果有着不可替代的作用。随着煤矿开采深度、广度和强度的不断增加，出现了大量复杂困难巷道。许多学者对此进行了大量研究，周凯军、谷拴成、李晨等[1-4]探讨了浆液在裂隙中的扩散方式，分析了纯水泥浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的联系；李万里[5]通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立模型来模拟在静水条件下改变水灰比、裂隙张开度、注浆压力等参数浆液扩散规律的变化。本文研究了深孔分段注浆新工艺，通过改变注浆锚索构件组成、增加特殊装置设计出一种新型分段注浆锚索，实现由深到浅分段注浆；并采用CFD方法对分段注浆锚索浆液在土壤中扩散进行数值模拟。

1 新型分段注浆锚索的结构设计

1.1 分段注浆锚索的工作原理

分段式中空注浆锚索结构如图1所示。在分段式中空注浆锚索中，将注浆区域分为A、B两部分，索体1侧壁的通孔7内设有活塞11，B区域活塞11侧壁的角度小于A区域活塞10侧壁的角度，锚索内部的压力加大后，由于活塞侧壁角度的缘故，B区域活塞侧壁角度小的会被优先压缩变形，使活塞冲出，经过一段时间后，继续加大压力，使A区域的活塞10能够冲出，从而实现分段注浆。

1-索体;2-尾体螺母;3-垫板;4-岩石;5-塑料玻璃套管;6-固定框;7-通孔;8-小细管;9-钻孔;10,11-活塞

在注浆管上封孔塞的外侧上套有塑料玻璃套管5，塑料玻璃套管一侧套装有固定框6。在固定框两侧安装两只相应的小细管8，其直径为4 mm或根据锚索结构做适当的调整，小细管与固定框相连，密封良好，将一细管注入化学浆液a，另一细管注入化学浆液b，两种化学浆液在固定框6内混合，化学浆液随后膨胀，实现A、B分段隔离。

1.2 创新点

该项技术的创新点在于：中间分段隔离技术有效地解决了以往巷道浅表注浆易优先渗入,造成浅表跑浆、深部注浆效率低等工程难题,提高了注浆渗入,确保有效改性破裂围岩，显著提高了支护效果;定压密封注浆结构实现了下段达到额定注浆压力后上段开始注浆。

2 数值模拟

2.1 渗流场与应力场耦合方程

基于流固耦合理论基础原理Darcy定律、固体介质变形的应力-应变关系以及渗流应变-应力场界面耦合构建方程。

2.2 数值模拟流程

2.2.1 基本假设

(1) 将浆液视为各向同性且不可压缩的均质流体，且为层流流动，符合连续方程。

(2) 不考虑重力影响和静水压力的影响。

2.2.2 分段注浆的流场结构设计模型

土壤模型是一个6 m×6 m×8 m的长方体，从高的中间位置4 m处将土壤模型分为两部分，上部分是孔隙率为0.8的土壤模型，下部分是孔隙率为0.4的土壤模型，分段注浆锚索位于土壤一侧的中间位置，注浆管半径设为0.1 m。在注浆泵压的作用下，浆液通过分段注浆锚索，优先进入土壤底层扩散，在注浆一段时间后，由于分段注浆的缘故，底部进入封浆状态，使浆液再进入土壤上部扩散。

2.2.3 网格与时间步长的无关性检验

为保证科学的严谨性，对网格和时间步长进行了无关性检验，结果分别如图2和图3所示。

图2 网格无关性验证 图3 时间步长无关性验证 图4 注浆扩散半径分布

由图2图3可以看出，当网格数量超过15万时，网格数量对计算结果的影响很小，所以网格划分的整体尺寸为125 mm，单元格数目为152 384，节点数目为161 005；当时间步长超过6时，时间步长对计算结果的影响很小，而时间步长为6时，既保证了计算结果的准确性，又大大缩减了计算时间，最后确定的时间步长为6。

2.3 数值模拟分析

得到的模拟结果如图4所示，孔隙率与注浆半径扩散数据如表1所示。

表1 孔隙率与注浆半径扩散数据

下面分析注浆扩散半径增大的原因。采用传统的注浆方式,由于岩层浅部的裂隙宽度大，深部裂隙宽度小，浆液会优先进入浅部，且压力施加在整个注浆孔的深度上，压力会随着注浆孔的深度和裂隙宽度增加产生明显的减小，这会进一步削弱深部注浆的范围，导致注浆效果不理想；而分段注浆以裂隙宽度为分段基础，尽可能使岩体裂隙宽度维持一个合适的范围，减小因裂隙宽度导致浆液扩散不均匀，同时每次施加压力的范围也有了明显的减小，这样使注浆效果有了极大的改善。

通过对比可以发现，使用分段注浆锚索的时候，浆液在注浆压力的作用下扩散半径明显增大，在注浆底部孔隙率为0.4的土壤中，注浆半径为1.818 m，相对于传统1.081 m的注浆方式，其扩散半径增大了0.737 m，增加了68.2%；在注浆上部孔隙率为0.8的土壤中，注浆半径为2.624 m，相对于传统1.932 m的注浆方式，其扩散半径增大了0.692 m，增加了35.8%。

注浆扩散半径随时间变化曲线如图5所示。由图5可知:在孔隙率为0.4时，从0～200 s内，注浆半径明显增大，在200 s时，注浆半径为1.685 m,此时浆液在裂隙填充基本完成，向小缝隙渗透，因此从200 s～400 s内，注浆范围依旧在增大，但是增大的趋势明显变慢；在孔隙率为0.8时，从0～300 s，注浆半径明显增大，在300 s时，注浆半径为2.483 m,此时浆液在裂隙填充基本完成，向小缝隙渗透，因此从300 s～400 s内，注浆范围依旧在增大，但是增大的趋势明显变慢。

图5 注浆扩散半径随时间变化曲线

压力随扩散半径的变化情况如图6所示。由图6可知:孔隙率为0.4或0.8，两者的压力随浆液的扩散半径变化趋势几乎相同,注浆压力以注浆孔轴为中心沿着扩散路径逐渐衰减;在靠近注浆口的位置压力衰减最快，在远离注浆口的位置压力衰减缓慢，存在明显的强衰减区和弱衰减区;在距注浆口0～0.4 m的范围内，注浆压力沿着浆液扩散路径衰减较为明显，距注浆口大于0.4 m后，注浆压力沿着浆液扩散路径衰减缓慢。

图6 压力随扩散半径变化曲线

3 结论

(1) 通过改变注浆锚索构件组成、增加特殊技术装置等设计出一种新的分段注浆锚索，实现了深孔由深到浅分段注浆，相对于传统的深浅孔注浆方式，大大节约了时间。

(2) 通过数值仿真，使用分段注浆锚索，浆液扩散半径明显增大，在注浆底部孔隙率为0.4的土壤中，扩散半径增大了0.737 m，增加了68.2%；在注浆上部孔隙率为0.8的土壤中，扩散半径增大了0.692 m，增加了35.8%。由此可见，分段注浆的注浆效果更为优越。