定向注漿不同注漿壓力下漿液擴散特性研究

王永寶 張 毅 竇江海

（1.山東能源新汶礦業(yè)集團有限責任公司邱集煤礦，山東 德州 251105；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590；4.青島市黃島區(qū)發(fā)展研究中心，山東 青島 266400）

隨著黃河北煤田進入下組煤開采階段，位于太原組下部的11 煤層受到頂板四灰、五灰和底板徐灰、奧灰?guī)r溶承壓水的威脅，頂?shù)装搴畬颖舜诉B通且導水通道不明。定向注漿改造含水層是解決黃河北煤田突水威脅的有效辦法[1]，具有主動防治、安全、高效的優(yōu)勢，特別是定向鉆孔注漿在裂隙及隱蔽導水通道填充和驅(qū)水堵水方面得到了廣泛應用，對地下工程的正常運營及穩(wěn)定具有重大意義[2]。

1 水平分支孔注漿防治水害機理

地面定向順層鉆進注漿主要通過地面近水平鉆孔單元在合適位置進入未采段煤層的頂?shù)装寤規(guī)r，順層穿越，探查灰?guī)r裂隙及隱蔽導水通道，并進行高壓注漿封堵。每個鉆孔單元采取一個主孔與多個分支孔布置，注漿鉆孔分支孔方位及間距布設的主要依據(jù)為：（1）分支孔應盡可能與斷層、褶皺軸部跡線大角度相交，鉆探技術可行的前提下盡可能多地穿過斷層和褶皺。（2）為保證注漿能夠全面充填封堵灰?guī)r含水層及斷層破碎帶，分支孔間距不得大于2 倍的擴散半徑，同時應綜合考慮鉆孔高效利用和經(jīng)濟合理性原則，孔間距應大于單孔注漿漿液擴散范圍。（3）鉆孔注漿擴散范圍應盡量覆蓋整個治理區(qū)域。在項目具體實施過程中，應根據(jù)施工效果對鉆孔間距進行動態(tài)調(diào)整。

2 注漿模擬試驗

2.1 模擬條件

本文基于模擬方便和模擬效果考慮，以點注漿方式近似模擬實際注漿的矩+半圓形或柱+半圓體注漿過程。漿液水灰比取為1.55:1，注漿壓力可調(diào)控，一般不小于8 MPa（含水層水壓的1.5～2 倍）。利用現(xiàn)場鉆探獲得的巖芯，對已獲得灰?guī)r區(qū)域的裂隙寬度進行均值化處理，作為整個含水層裂隙的模擬寬度。

2.2 模型建立

注漿漿液在巖體裂隙內(nèi)擴散時，一般視為層流，且漿液流動遵循達西定律。當漿液為牛頓流體時，國內(nèi)外學者得出了一系列的注漿理論，如Maag 球形擴散理論、Raffle 球形擴散理論、柱形擴散理論、Baker 公式、裂隙巖體注漿理論等[3-6]。

基于兩相達西定律的滲流模型，作如下假設：（1）注漿治理的灰?guī)r地層為均勻、不可壓縮的各向同性介質(zhì)；（2）裂隙均勻分布，灰?guī)r地層滲透系數(shù)為定值；（3）含水層為靜水條件，注漿漿液看作是不可壓縮的各項均質(zhì)的各項同性流體，在介質(zhì)中的滲流擴散符合Darcy 定律；（4）漿液在注漿過程中流型不變；（5）忽略漿液滲入裂隙時巖體的損失和重力影響。

模型采用的公式為Darcy 兩相流假設方程：

式中：s1為水的體積分數(shù)，1；s2為漿液的體積分數(shù)，1。其他字符含義見表1。

表1 數(shù)值模擬相關參數(shù)表

入口邊界分為地下動水滲流入口條件和注漿體入口條件，此處的入口條件主要為注漿壓力和漿液飽和度，出口條件為含水層水壓。模型研究區(qū)除去入口與出口邊界，其他邊界條件設為無通量邊界，滿足無滑移條件。第一分支第一個注漿孔網(wǎng)格剖分如圖1 所示，單元格總數(shù)為425 339 個，截線截取的位置與分支鉆孔的方向垂直，以注漿孔口為中點的80 m 直線。

圖1 單孔網(wǎng)格剖分圖

3 試驗結果分析

3.1 單孔漿液擴散特性

（1）不同時間漿液擴散特性

注漿壓力為8 MPa 時，漿液均呈現(xiàn)同心圓向外擴散形態(tài)，如圖2 所示。注漿時間小于20 min 時，為初始注漿階段，漿液擴散范圍在15 m 左右，但漿液體積分數(shù)在巖溶裂隙中稀釋，呈現(xiàn)漿水混合狀態(tài)；注漿時間為30 min 時，由于注漿壓力傳遞限制，漿液擴散范圍明顯減小，僅增加3 m 左右，但漿液體積分數(shù)的上升使得漿液擴散區(qū)域的巖體強度得到了充分加固；注漿時間為40 min 時，注入漿液體積分數(shù)持續(xù)上升并達到最大，漿液擴散范圍只增加了1 m 左右，如圖3 所示。當注漿時間超過40 min后，由于注漿壓力傳遞受阻和距離太遠，導致漿液無法較大程度地向外擴散。因此，現(xiàn)場注漿時間應在30～ 40 min 之間，此時注入巖溶裂隙中的漿液體積分數(shù)達到最高且漿液擴散范圍相對較大，既達到了注漿效果，又節(jié)約了注漿成本。

圖2 注漿40 min 時的漿液擴散形態(tài)圖

圖3 不同時間單孔漿液擴散曲線圖

（2）不同壓力下的漿液擴散特性

在孔隙率、滲透系數(shù)、水壓、漿液體積分數(shù)及注漿時間均相同的條件下，不同注漿壓力會形成不同的漿液擴散效果。注漿時間相同時，不同注漿壓力下漿液呈現(xiàn)同心圓向外擴散的跡象，如圖4 和圖5 所示。由圖4 和圖5 可知，漿液體積分數(shù)小于0.6是漿水混合區(qū)域，寬度約為1～3 m。注漿時間為40 min、注漿壓力為11 MPa 時，漿液注入巖溶裂隙后擴散范圍明顯大于8 MPa 略小于14 MPa 的漿液擴散區(qū)域；注漿壓力為11 MPa 時注入巖溶裂隙中的漿液體積分數(shù)稍微低于8 MPa 和14 MPa 漿液體積分數(shù)。

圖4 注漿壓力11 MPa 的漿液擴散形態(tài)（注漿時間為40 min）

圖5 不同注漿壓力下漿液擴散曲線圖

根據(jù)前期學者的研究成果，注漿壓力過大，會導致巖溶裂隙劈裂，產(chǎn)生更多的裂隙和含水層導水通道[7]。在注漿成本和注漿效果等多重考慮下，注漿壓力為11 MPa 時基本能夠填充含水層巖溶裂隙及隱蔽導水通道，保障煤炭資源的安全開采。

3.2 同一分支多注漿孔擴散形態(tài)及規(guī)律

再進行注漿模擬的過程，即前段區(qū)域注漿完成后，注漿區(qū)域的巖層強度大于含水層水壓，在對下一個注漿點進行模擬研究前，設置注漿完成區(qū)域的實際強度。由3.1 可知，注漿壓力11 MPa 且持續(xù)注漿40 min 后，漿液擴散半徑約為23 m，所以在對第二個注漿孔分析時，將已完成的注漿區(qū)域設置為半徑23 m 的圓，設置圓的邊界為無通量邊界，以達到跨邊界速度和壓力不連續(xù)的要求。

圖6 單分支第二個注漿孔示意圖

由圖6 漿液擴散形態(tài)可知，第二注漿孔注漿過程中，漿液擴散范圍在與已注漿區(qū)域接近時會受到阻礙，無法向該區(qū)域繼續(xù)擴散，兩側因沒有阻礙而繼續(xù)擴散，使得第二注漿孔的漿液擴散形態(tài)呈現(xiàn)扁平的“W”狀。

4 結論

（1）基于黃河北煤田的水文地質(zhì)條件和注漿工程實際，當含水層水壓為4.3 MPa、注漿壓力為8 MPa 時，最佳的注漿時間為40 min，既能達到封堵巖溶裂隙和隱蔽導水通道的效果，又節(jié)約了注漿成本。

（2）根據(jù)已確定的時間、漿液配比等參數(shù)，從注漿治理區(qū)域和經(jīng)濟角度，分別對8 MPa、11 MPa、14 MPa 條件下的漿液擴散范圍、達西速度場、擴散形態(tài)進行了研究，可知注漿壓力為11 MPa 最為合適。

（3）多分支孔注漿時，已注漿區(qū)域影響相鄰注漿孔的注漿壓力和漿液擴散。靠近已注漿側漿液擴散的達西速度明顯減小，漿水混合區(qū)較窄，漿液擴散形態(tài)較大程度上受到已注漿區(qū)域的限制。