裂隙巖體工作面注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律及工程應(yīng)用

張 清

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司, 安徽 馬鞍山市 243184)

0 前 言

注漿理論涉及流體力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)及巖體力學(xué)等學(xué)科，且主要應(yīng)用于隱蔽性工程，因此在工程應(yīng)用中多依靠以往的工程經(jīng)驗(yàn)。但是隨著我國礦山大規(guī)模開發(fā)，特別是復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的富水礦山開發(fā)，對(duì)控制性注漿要求越來越高，促進(jìn)了注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律的研究，近年來注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律研究取得了大量的學(xué)術(shù)成果。劉嘉材等基于牛頓阻力定律，研究了二維裂隙中漿液的擴(kuò)散規(guī)律[1]；石達(dá)民將注漿過程概化為漿液對(duì)地下水的驅(qū)替運(yùn)動(dòng)，然后基于兩種液體界面的平衡和運(yùn)動(dòng)分析注漿過程中的漿液擴(kuò)散規(guī)律[2]；張良輝等在水平裂隙漿液擴(kuò)散規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，分析了裂隙粗糙度等阻力對(duì)漿液擴(kuò)散的影響[3-4]；郝哲等人分別從牛頓流體和非牛頓流體的角度出發(fā)，推導(dǎo)出了注漿漿液在裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律，并考慮了多孔注漿的相互影響[5-6]。本文通過漿液擴(kuò)散規(guī)律研究，建立裂隙介質(zhì)漿液擴(kuò)散模型，指導(dǎo)礦山開拓工程中的注漿設(shè)計(jì)，并通過巷道掘進(jìn)驗(yàn)證注漿設(shè)計(jì)的合理性。

1 注漿擴(kuò)散規(guī)律模型分析

1.1 基本假設(shè)

(1) 巖體介質(zhì)為均值各向同性，且為連續(xù)性介質(zhì)體；

(2) 漿液為牛頓流體，且擴(kuò)散范圍內(nèi)裂隙體均被充填飽滿；

(3) 漿液在裂隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西定律。

1.2 注漿擴(kuò)散模型

假設(shè)漿液在注漿孔底部主要以球形擴(kuò)散為主，在其它部位主要以柱形擴(kuò)散為主，漿液的擴(kuò)散半徑為r，巖體的滲透系數(shù)為k，注漿孔與擬注裂隙面的夾角為α，依據(jù)達(dá)西定律，可得出公式(1)：

Q=kgSit

(1)

其中：

式中，Q為漿液注入量，m3；i為漿液的水力坡降；k為漿液在巖層中的滲透系數(shù)，m/d；S為滲透斷面面積，cm2；t為注漿持續(xù)時(shí)間，d；β為漿液粘滯度與水的粘滯度之比；μW為水的動(dòng)力粘滯度，MPa·s，20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯度為1.005 MPa·s；μS為漿液的動(dòng)力粘滯度，MPa·s；l為注漿段長度，m；r為漿液的擴(kuò)散半徑；α為注漿孔與裂隙面的夾角，(°)。

整理式(1)可得式(2)：

(2)

當(dāng)r=r0時(shí)，h=H；當(dāng)r=r1時(shí)，h=h0。對(duì)式(2)兩邊積分得式(3)：

(3)

式中，r0為注漿孔半徑，cm；h0為地下水壓力水頭；r為漿液擴(kuò)散半徑，cm；H為注漿壓力，cm。

(4)

(5)

2 工程應(yīng)用

某裂隙富水礦床的開拓區(qū)域位于砂巖富水地層中，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該含水層單位涌水量q=2.455～8.204 L/s·m，滲透系數(shù)k=1.49～10.89 m/d，屬于強(qiáng)富水地層。在-390 m中段750#進(jìn)路掘進(jìn)至5線附近時(shí)，工作面長探孔探查前方15 m處涌水量為80 m3/h，鉆探巖心顯示，該處為礦體內(nèi)部層間裂隙水，裂隙面夾角α=70°，關(guān)閉長探孔后實(shí)測(cè)水壓P=1 MPa，為保障掘進(jìn)安全，在工作面采取注漿堵水措施。

2.1 工作面注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 注漿漿液：純水泥漿液，漿液配比為1∶1；

(2) 注漿壓力：取靜水壓力的4倍，故本次注漿終壓取4 MPa；

(3) 擴(kuò)散半徑：根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究成果，1∶1純水泥漿液為牛頓流體，因此漿液擴(kuò)散半徑采用式(5)計(jì)算。注漿泵的單位注入量q按照礦山井下施工期間的平均注入量30 L/min計(jì)算，注漿地層的基本參數(shù)詳見表1。將表1中參數(shù)代入式(5)計(jì)算得漿液的擴(kuò)散半徑r=2.82 m。

表1 注漿地層基本參數(shù)

(4) 注漿孔數(shù)：礦山750#進(jìn)路設(shè)計(jì)斷面為6 m×3.5 m，漿液擴(kuò)散半徑為2.82 m，故工作面需布設(shè)5個(gè)注漿孔(見圖1)。

圖1 注漿孔工作面布置

2.2 作面注漿實(shí)施效果評(píng)價(jià)

(1) 礦山根據(jù)注漿設(shè)計(jì)共施工注漿孔5個(gè)，預(yù)注漿鉆孔施工深度20 m，累計(jì)注入水泥漿液56 mm3，平均單孔注入量11.2 mm3。根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》漿液擴(kuò)散與單孔注漿量之間關(guān)系表達(dá)為：

(6)

式中,q為單孔注漿量，m3；λ為漿液損失系數(shù)，取1.3；η為巖層的裂隙率(孔隙率)，取2%；θ為漿液在裂隙內(nèi)的充填系數(shù)，取0.85；m為漿液的結(jié)石率，取0.9。

相關(guān)參數(shù)代入式(6)可以得出漿液的擴(kuò)散半徑r=2.69 m，經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)實(shí)際單孔注漿量推算的漿液擴(kuò)散半徑與牛頓流體理論計(jì)算的漿液擴(kuò)散半徑r=2.82 m相差4.6%，說明依據(jù)理論模型計(jì)算的漿液擴(kuò)散半徑比較符合實(shí)際施工情況，可以指導(dǎo)礦山注漿設(shè)計(jì)。

(2) 工作面預(yù)注漿施工完成后，礦山依據(jù)設(shè)計(jì)斷面(6 m×3.5 m)進(jìn)行開拓掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中采取短掘短支的施工方式，其支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴，錨桿長度1.8 m。在掘進(jìn)中，當(dāng)工作面揭露裂隙時(shí)，多處發(fā)現(xiàn)漿液充填體(見照片1)。從照片中可以看出，漿液充填飽滿，結(jié)石體與圍巖結(jié)合緊密，且掘進(jìn)過程中工作面未發(fā)現(xiàn)明顯涌水，僅局部在巷道肩窩處錨桿眼出現(xiàn)涌水點(diǎn)，水量多小于1 mm3/h，通過涌水錨桿眼與注漿孔位置推測(cè)漿液實(shí)際的擴(kuò)散半徑為2.4 m左右(見圖2)，結(jié)合圖2可以看出，各注漿孔注漿后漿液可以有效搭接，注漿體防護(hù)范圍可滿足礦山開拓工程對(duì)防治水工程的技術(shù)要求。

照片1 結(jié)石體

圖2 漿液擴(kuò)散半徑對(duì)比

3 結(jié) 論

基于裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散研究成果，通過理論分析，得出了牛頓流體在裂隙巖體中的柱狀-球狀漿液擴(kuò)散規(guī)律。并依此開展了礦山-390 m中段的注漿參數(shù)設(shè)計(jì)，通過注漿施工后得傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算及巷道開拓掘進(jìn)驗(yàn)證，理論推導(dǎo)的漿液擴(kuò)散規(guī)律比較接近生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。