千米鑿井工作面注漿堵水三維數值模擬研究

徐 波 王世華 孔德森

(1.濟寧礦業集團安居煤礦,山東省濟寧市,272000;2.山東科技大學,山東省青島市,266000)

千米鑿井工作面注漿堵水三維數值模擬研究

徐 波1王世華1孔德森2

(1.濟寧礦業集團安居煤礦,山東省濟寧市,272000;2.山東科技大學,山東省青島市,266000)

針對安居煤礦井筒工作面涌水量大的問題,采用ABAQUS軟件建立工作面注漿三維數值模型,利用有限元計算對注漿前后的孔隙水壓力、孔隙水滲流速度以及井筒涌水量進行研究分析,結果表明,工作面注漿有效地封堵了破碎圍巖中的孔隙,從而封堵了水力通道,降低了圍巖的滲透能力,使圍巖孔隙水壓力基本保持原有的狀態,減小了對圍巖初始狀態擾動,對井壁受力及地層穩定具有積極作用。

工作面堵水 注漿 數值模擬 滲流速度

1 工程概況

工作面注漿技術被廣泛應用于立井井筒施工建設,特別是在含水層厚度大、含水豐富、水壓大的基巖地層中。濟寧礦業集團安居煤礦副井設計深度為1008 m,施工掘至井深630 m處出現大量涌水(約110 m3/h)。在井筒掘進工作面進行注漿堵水,本文結合注漿實踐對其進行三維數值研究分析。

2 三維數值模型的建立

巖土材料是非連續的,在巖土孔隙中存在著氣、液相介質,當孔隙連通時,流體可在不平衡的勢能作用下發生滲流。井筒注漿過程中,圍巖、注漿圈、井壁是3種不同性質的材料,三者力學參數具有較大差異,滲透性相差懸殊,流體在三者孔隙中流動的規律截然不同。利用ABAQUS軟件,建立安居煤礦工作面注漿三維數值模型。

2.1 基本假設

(1)含水層是均質各向同性的,頂部和底部隔水層水平,受承壓水作用,模型頂部水頭50 m,模型外圍有常水頭補給地下水。

(2)滲流引起孔隙介質應力和變形不予考慮,不考慮井筒開挖引起的變形。

(3)圍巖、注漿圈、井壁滲透系數為常數,不隨時間、位置而發生變化。

2.2 材料參數

根據安居煤礦地層特征以及注漿前后壓水試驗成果確定圍巖及支護結構的力學參數,力學參數采用加權平均法進行確定,見表1。

表1 材料力學參數表

2.3 本構模型

考慮井筒工作面注漿堵水能夠影響到的區域特性,本次數值分析采用兩種本構模型。

(1)線彈性模型。

線彈性模型的本構方程為:

式中:σ——應力分量,M Pa;

εel——應變分量,M Pa;

Del——彈性矩陣。

注漿圈及井壁結構力學參數相對圍巖較大,強度較高,所以在分析中采用線彈性模型。

(2)線性Druker-Prager塑性模型.

線性Druker-Prager塑性模型的屈服準則為:

式中:t——偏應力參數;

p——等效壓應力,M Pa;

β——摩擦角,(°);

d——粘聚力,N。

井筒圍巖可采用線性Druker-Prager塑性模型。

2.4 計算區域

根據安居煤礦井筒勘察報告,井筒垂深630～760 m,穿過的基巖主要為侏羅系J31、J32及J33段和二疊系石盒子組上段,預計井深630 m以下地層為含水層,巖石豎向裂隙發育。該施工段范圍內井筒含水層厚度約為130 m,設計注漿段高為150 m,計算區域豎向尺寸取為300 m。井筒降水的影響區域在井筒周邊300 m范圍。計算區域如圖1所示。

2.5 邊界條件

(1)應力邊界條件。根據安居煤礦探水報告可知,井筒垂深630～760 m為含水層,需設定模型水頭邊界。水頭邊界為應力邊界條件,在模型的外側按照進行水頭邊界的設置,上表面水頭為500 kPa,下表面水頭為2000 kPa。在井壁內側和井筒工作面設置水頭為零的邊界來模擬滲流內邊界的排水條件。

圖1 計算模型圖

(2)位移邊界條件。不考慮井筒開挖等引起的變形,以此約束節點的位移自由度。

3 數值計算結果分析

通過有限元三維數值模型計算,從孔隙水壓力變化、滲流速度的變化以及涌水量的變化3方面來研究工作面注漿的工程效果。

3.1 孔隙水壓力的對比分析

注漿前后工作面附近的孔壓變化云圖見圖2。

(1)注漿前。工作面以上圍巖中包含的孔隙水在井筒內外水頭差的作用下通過圍巖裂隙中的水力通道繞過井壁結構涌入井筒內部;工作面以上圍巖通過孔隙向井筒內泄水的影響高度超過20 m;地層孔隙水壓力的變化將引起上部土層的不均勻沉降,而土層沉降將拉動井壁向下運動使井筒結構受力不均勻,局部甚至可能出現拉應力,對井筒安全產生不利影響。

圖2 注漿前后工作面附近的孔壓變化云圖

(2)注漿后。工作面以上圍巖的孔隙水壓力基本保持平行,涌入工作面的孔隙水量較小;注漿后圍巖結構的孔隙水壓力變化極小。

圖3 注漿前后孔隙水的滲流速度分布圖

3.2 滲流速度的對比分析

注漿前后孔隙水的滲流速度分布圖見圖3。

(1)注漿前。向上的最大滲流速度發生在工作面位置,為1.18×10-3m/s,向下的最大滲流發生在工作面上部5 m位置,為-4.1×10-4m/s;根據滲流速度可得,注漿前井筒涌水包括繞過井壁結構涌入井筒內以工作面為基準面的上部圍巖孔隙水和通過工作面排水邊界涌入井筒的下部圍巖承壓水,下部涌水滲流速度較大,涌水量所占比例較大,是井筒涌水的主要組成部分。

(2)注漿后。向上的最大滲流速度位于工作面位置,為7.01×10-5m/s;向下的最大滲流速度位于工作面上部5m范圍之內,為-6.35×10-5m/s;與注漿前的滲流速度進行對比發現,注漿后向上的最大滲流速度變為原來的5.9%,井壁后向下的最大滲流速度變為原來的15.5%。

注漿前后工作面的孔隙水滲流速度曲面圖見圖4,可以看出,注漿前孔隙水平均滲流速度為1.14×10-3m/s,注漿后孔隙水平均速度為6.24×10-5m/s,工作面注漿后孔隙水滲流速度變為原來的5.5%。

3.3 涌水量的對比分析

涌水量由經驗公式求得:

式中:Q——井筒涌水量,m3/s;

q——井壁附近水流的滲流速度,注漿前取

1.14×10-3m/s,注漿后取6.24×

10-5m/s;

A——井筒斷面積,取28.26 m2;

t——時間,s。

經計算,井筒工作面注漿前的涌水量Q前為116.0 m3/s;井筒工作面注漿后的涌水量Q后為6.4 m3/s。

安居煤礦探水孔涌水量試驗結果約為110 m3/h,注漿后涌水量降為8.6 m3/h,與本次數值計算的結果基本相符。

圖4 注漿前后工作面的孔隙水滲流速度曲面圖

4 結論

本文利用三維數值模擬對安居礦井工作面注漿技術進行研究分析,取得以下研究成果。

(1)工作面注漿有效地封堵了破碎圍巖中的孔隙,從而封堵了水力通道,降低了圍巖的滲透能力,使圍巖孔隙水壓力基本保持原有狀態,減小了對圍巖初始狀態擾動,對平穩井壁受力和穩定地層具有積極作用。

(2)工作面注漿提高了圍巖的抗滲性能,降低了孔隙水的滲流速度,減少了孔隙水對圍巖性能的影響。

(3)掘進工作面注漿前的井筒涌水量約為116 m3/h,而注漿后變為6.4 m3/h,注漿堵水率為95%。

[1] 王國際.注漿技術理論與實踐[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000

[2] 姜玉松.現代注漿技術的開拓應用及發展[J].現代隧道技術,2007(2)

[3] 王惠民.流體力學基礎[M].北京:清華大學出版社,2005

3D numerical simulation research on blocking up water grouting at one thousand meters underground shaft sinking working face

Xu Bo1,Wang Shihua1,Kong Desen2
(1.Anju Coal Mine,Jining Coal Minging Group Co.,Ltd,Jining,Shandong province 272000,China;2.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong province 266000,China)

In view of the issue of big volume of water inrush at shaft sinking working face of Anju coalmine,a 3D numerical model is established by using of ABAQUS software.Calculated by using finite element,research and analysis are made on pore water pressure,seeping speed,and water inrush volume in the shaft before and after grouting.The result indicates that,working face grouting could block up pores among the fragmented surrounding rocks effectively,and hence block up water passages,reduce water infiltration capacity to the surrounding rocks,make the pore water pressure in the surrounding rocks keeping at its original state roughly and reduce disturbing to it.These could p lay a positive role on stabilizing shaft wall and stratum.

water blocking up at working face,grouting,numerical simulation,seeping speed

TD262.62

B

徐波(1982-),男,就職于濟寧礦業集團安居煤礦,碩士,從事礦井建設與礦山地質工作。

(責任編輯 梁子榮)