强采动大巷破碎煤柱水泥基浆液注浆渗透扩散规律研究

刘万光

(山西煤炭进出口集团 蒲县万家庄煤业有限公司， 山西 临汾 041200)

随着中国经济增速及现代化建设事业蓬勃发展，对煤炭资源的市场需求量也日益增大。部分煤矿为提高煤炭资源回收率，尽量减小大巷保护煤柱宽度，导致大巷易遭受剧烈的采动影响，巷道变形量较大[1]。大巷保护煤柱中分布有大量的节理、裂隙等软弱结构面，在强烈的采动影响下，大巷两帮煤柱往往呈现破碎剧烈，裂隙深布。工程实践中为了改善围岩结构的力学性能，通过注浆使破碎围岩形成整体结构[2]。

针对注浆过程中的浆液渗透扩散规律问题，国内外学者已开展大量研究[3]。在浆液扩散模型方面，牛顿流体扩散模型首先得到了广泛关注[4]，但由于其在浆液流变性表征上的局限，进一步建立了宾汉流体模型[5]、幂律流体模型[6-7]，并得到相应注浆扩散模型在不同影响因素下的变化规律。此外对于注浆过程中不同岩层特点下的浆液扩散规律也已有广泛研究[8-11]。但是，上述国内外研究中，针对煤体内注浆大多选用有机化学浆材，其存在材料昂贵、污染环境等严重缺陷，对于煤柱中采用无机水泥基浆液的研究相对较少，同时缺少对强采动下大巷破碎煤柱内注浆浆液扩散规律的研究；在实际工程实践中注浆工程依赖工人们的施工经验，注浆参数等数据波动幅度大，极大程度上制约了工程高效施工，因此对注浆中浆液渗透扩散规律的研究是亟须解决的问题。

本文以山西万家庄煤业运输大巷的具体工程地质条件为背景，基于水泥浆液流变性实验室测试结果及渗流理论，建立水泥基浆液注浆渗透扩散数值计算模型，研究不同注浆参数下强采动大巷破碎煤体内水泥基浆液注浆渗透扩散规律，并在现场通过注浆量监测及钻孔全景数字成像探测技术检测浆液渗透扩散效果。

1 工程地质概况

山煤集团万家庄煤业公司主采2#煤，工作面采用长壁后退式综采法。由于回采工作面与大巷之间保安煤柱尺寸为30 m，导致受强烈采动影响，造成大巷围岩矿压显现剧烈。大巷围岩在工作面强采动影响下，围岩结构膨胀、松动、破碎，围岩强度进一步劣化、衰减，导致锚杆(索)对围岩锚固约束作用严重弱化，巷道出现更加剧烈的破坏现象，如图1所示。包括顶板下沉、帮部挤出、底臌等，巷道变形大，严重制约工作面安全生产。

图1 万家庄煤业运输大巷围岩严重破坏现象

为研究山西万家庄煤业运输大巷在强采动影响下煤柱内部围岩破碎情况，进行了钻孔窥视探测分析。图2为万家庄煤业采掘平面图，图3为运输大巷煤柱内全景数字钻孔影像。对其进行分析整理，得出煤体具有如下特征：①大巷为半煤半岩巷道，具有明显的层状特征；②在高采动应力作用下，大巷两帮煤体破碎程度高，层理裂隙结构极为发育。

图2 万家庄煤业采掘平面图

图3 煤柱钻孔窥视图

注浆加固可以利用浆液具有的充填、黏结和凝固等特性将破碎煤体黏结为一体，形成具有高稳定性的完整结构体，达到控制破碎围岩稳定性的目的。因此对于万家庄煤业运输大巷受强烈的采动影响下煤柱破碎的情况，采用注浆加固可以较好地控制围岩变形。

2 水泥基浆液流变性能实验室测试

针对强采动下大巷煤柱破碎严重的现象，返修时以锚注支护为主，其中浆液黏度是影响注浆效果的重要指标之一，其对浆液扩散距离、渗透程度影响较大。因此需要对水泥基浆液性能进行实验，确定合理的配比。实验室浆液黏度测试采用ZNN-D6型旋转黏度计，由于牛顿流体与非牛顿流体剪切速率特性不同，为便于比较，取剪切速率为1 021.8 s-1时浆液表观黏度进行研究。

图4为实验室实验测得各水灰比下浆液表观黏度，由图可得出以下结论：①浆液表观黏度在一定范围内随浆液配比的水灰比增大而减小，且当水灰比n<0.7时，浆液黏度随水灰比增加急剧下降；②当n=0.7时，浆液表观黏度降低到了0.021 5 Pa·s，与n=0.5时相比降幅高达81.3%；③n=0.8时，浆液表观黏度为0.012 5 Pa·s，与n=0.7时相比，表观黏度只下降了0.009 Pa·s；④n=2.0时，浆液表观黏度为0.004 5 Pa·s，浆液的表观黏度与n=0.7时相比降低了0.017 Pa·s，即当n>0.7时，浆液黏度减小速率明显降低，浆液表观黏度变化逐渐趋于缓和。

图4 水泥基浆液表观黏度与水灰比之间的关系

3 破碎煤柱水泥基浆液渗透扩散规律数值模拟

3.1 裂隙浆液渗透扩散控制方程

为描述强采动大巷围岩内大量裂隙中浆液的流动，在本节中假设浆液为不可压缩的牛顿流体，在裂隙结构中，采用N-S方程作为浆液扩散的运动控制方程[12]，即

(1)

式中：v为浆液流速，m/s；P为注浆压力，Pa；t为时间，s；ρ为浆液密度，kg/m3；F为体积力，N/m3。

假定浆液流动满足连续性方程，连续性方程可建立在质量守恒方程基础上，即

(2)

在工程实践中，N-S方程计算复杂，收敛性差，可采用简化形式的达西定律作为流体在裂隙中流动的运动方程，即

(3)

由式(4)可知，浆液在围岩中流动的渗透系数为

(4)

式中：a为裂隙开度，m；k为渗透系数，m/s；γ为容重，N/m3；μ为黏度，Pa·s。模型中首先确定系数k后，在一定的初始条件与边界条件下，由式(3)可求得渗流过程中浆液扩散压力分布。

3.2 破碎煤柱注浆渗透扩散数值计算模型

以万家庄煤业运输大巷具体条件为背景，以巷道煤柱侧帮为原型采用COMSIOL Multiphysics建立二维平面浆液扩散数值计算模型。如图5所示，模型尺寸为5 200 mm×3 100 mm，注浆孔直径为30 mm，位于模型的几何中心。模型边界为定压边界压力0 MPa，注浆孔作为浆液入口设为定压边界取压力为3 MPa，注浆时间为500 s。浆液在煤柱体中的流动基本满足达西定律。模型中裂隙形状、开度、粗糙度等参数来自前期对于巷道煤柱侧帮破碎煤柱钻孔窥视所得数据数字化处理后的结果。

图5 注浆浆液扩散数值计算模型

影响浆液扩散及裂隙变形的因素总体可分为3方面：浆液材料、水灰比、浆液密度等浆液因素；裂隙形状、粗糙度、开度等裂隙因素；注浆孔径、注浆压力等施工因素。结合工程问题，这里重点考虑研究浆液黏度(水灰比为0.5、0.8、1.0)、煤柱体裂隙开度(0.5、1.0、2.0 mm)、注浆压力(1.0、2.0、3.0 MPa)等因素的影响，具体数值模拟方案见表1。

表1 数值模拟方案

3.3 不同注浆参数对浆液渗透扩散规律的影响

模型中浆液自注浆口注入，呈圆形径向扩散，不同水灰比下浆液扩散形态如图6所示，不同水灰比下浆液扩散距离曲线如图7所示。从图中可以得出：①浆液扩散距离随时间非线性增长，增长速度逐渐放缓，大体呈现为幂函数形式；②扩散距离变化较大，水灰比为0.5时在500 s内扩散距离为0.15 m，水灰比为0.8时扩散距离增加了3.3倍，水灰比为1.0时扩散距离增加了4.1倍；③随着水灰比增加，水泥基浆液流动性注浆增强，在裂缝中的扩散距离注浆增加，但增加速度明显减小。

图6 不同水灰比下浆液扩散形态

图7 不同水灰比下浆液扩散距离曲线

根据数值模拟结果绘制了不同裂隙开度及不同注浆压力下浆液扩散距离曲线，如图8、图9所示。从图中可以得出以下结论：①裂缝开度为0.5 mm时，浆液扩散能力较差，500 s内浆液扩散距离仅为0.35 m；裂缝开度为1 mm时，浆液扩散距离增加了1.1倍；裂缝开度为2 mm时，扩散距离增加了3.3倍；当裂隙开度增大时，浆液扩散距离、流动速度均显著增大；②当注浆压力分别为1.0、2.0、3.0 MPa时，500 s内浆液扩散距离为0.75、0.89、0.97 m；注浆压力越大，浆液扩散距离越远，但增幅逐渐减小。

图8 不同裂隙开度下浆液扩散距离曲线

图9 不同注浆压力下浆液扩散距离曲线

对于万家庄煤业运输大巷保护煤柱破碎程度较高，其裂隙开度基本在2 mm以上，根据浆液渗透扩散规律数值模拟结果，确定水灰比选择0.8，注浆压力选择3 MPa，此时浆液扩散效果较好，可以满足现场注浆要求。

4 工程应用及效果监测

4.1 现场注浆试验

万家庄煤业运输大巷现场返修采用以“高强锚杆+中空注浆锚杆+高强中空注浆锚索”为核心的支护技术，巷道支护方案如图8所示，具体支护参数如下：①锚杆采用高强螺纹钢锚杆，规格为φ22×2 600 mm，顶板每排7根锚杆，两帮每排4根锚杆，排距800 mm；②中空注浆锚杆间排距为1 500 mm×1 600 mm；③锚索采用高强中空注浆锚索。顶板锚索规格为φ22×8 300 mm，每排2根，两帮锚索规格为φ22×6 300 mm，每排3根。④注浆过程中，使用LHN7.0型便携式注浆泵，水泥浆液水灰比为0.8，注浆压力为3.0 MPa。

4.2 注浆量现场监测

表2统计了万家庄煤业运输大巷两帮和顶板的注浆量结果。从表中可以看到，两帮一般注浆量为1.5～3.0袋水泥，顶板一般注浆量为2.0～3.5袋水泥。总体而言，在强采动影响下煤柱破碎程度高，围岩裂隙发育，采用上文水灰比及注浆压力后，注浆量较大，与数值模拟结果吻合，注浆效果可以得到较好的保障。

表2 煤柱侧帮注浆量 单位：袋/孔

4.3 浆液扩散效果钻孔全景数字成像探测

万家庄煤业运输大巷修复完成后，为了评价注浆效果评价，在其两帮开展钻孔窥视探测。在左帮布置1#钻孔，深8 m，斜向上45°；右帮布置2#钻孔，深7 m，斜向上45°。其钻孔窥视典型图像如图10所示。从图中可以得出：①采用水灰比为0.8、注浆压力为3 MPa的方案注浆后，煤柱中的裂隙及破碎带中均可观察到大量水泥浆液，浆液渗透扩散效果较好；②水泥浆液胶结、充填作用明显，围岩完整性及自承能力显著提高，锚杆(索)的锚固力可以得到保障；③仍有小部分裂隙未被浆液充填，这可能是由裂隙开度较小或裂隙不贯通导致。

图10 修复后帮部钻孔窥视典型图像

5 结论

本文开展了水泥基浆液的流变性能实验，利用COMSOL软件研究了不同注浆参数下破碎煤柱中水泥基浆液渗透扩散规律，并开展了现场工业性试验，得到以下结论：

1) 通过实验室试验测得水泥基浆液在不同水灰比下表观黏度，当水灰比小于0.7时，水泥基浆液黏度随水灰比增加急速下降；大于0.7时，水泥基浆液黏度减小速率明显降低。

2)分析了不同浆液黏度、裂隙开度、注浆压力下破碎煤柱中浆液渗透扩散规律。浆液扩散距离随时间非线性增长，大体呈现为幂函数关系；水灰比由0.5增大为1.0时，扩散距离增大了约4.1倍；裂缝开度由0.5 mm增大至2 mm时，扩散距离增大了约3.3倍，浆液流动速度也同时加快；注浆压力越大，浆液扩散距离越远，但增幅逐渐减小；根据万家庄煤业实际情况确定水灰比选择0.8，注浆压力选择3 MPa。

3)开展了注浆量监测分析及钻孔全景数字成像探测分析。强采动影响下煤柱破碎程度高，围岩裂隙发育，采用本文确定的水灰比及注浆压力后，注浆量较大，与数值模拟结果吻合；煤柱中的裂隙及破碎带中均可观察到大量水泥浆液，浆液渗透扩散效果较好，围岩完整性及自承能力显著提高，万家庄煤业运输大巷围岩稳定性得到良好控制。