低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究_王崇智.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费资助项目(,)作者简介:王崇智(),男,河北沧州人,华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生,研究方向:矿山安全技术及管理。:.移动扫码阅读:.王崇智,邹光华,李永鹏,等.低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究.华北科技学院学报,():,.,():低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究王崇智,邹光华,李永鹏,马 龙,杨健男,杨长益(华北科技学院,北京 东燕郊)摘 要:为研究注浆浆液在低渗透介质中扩散力学机理,以井工一矿 煤层中 陷落柱中填充物为研究对象,设计了能够进行观察浆液微观扩散过程的可视化高应力注浆试验系统,设计了间歇式注浆实验方案,得出泥砂注浆固结体的
2、几何模型。分析实验结果可知,浆液的扩散过程包括形成裂隙内流动和孔隙渗透两部分。浆液在流动过程中,注浆压力随着沿程距离的增大而减小,渗流通道周边的浆液渗透到泥沙孔隙中,浆液在孔隙中的活动包括渗入、絮凝、破坏絮凝层等循环过程。关键词:注浆;低渗透介质;微观扩散;孔隙渗透中图分类号:.文献标志码:文章编号:(),(,):,.,.,.,.:;第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .引言煤炭开采过程中,地质构造是影响其安全高效生产的重要因素,华北地区煤田地质条件十分复杂,断层带、陷落柱、风氧化带等各种地质构造带赋存,分布面积大。河南、山西、内蒙古等地区多数煤矿发现陷落柱的存在,直接影响到矿井的安全生产。
3、目前,注浆加固技术是用来控制围岩稳定的有效方法。但是巷道中一些陷落柱和风氧化带内的介质主体为岩土,受地压作用,岩土压密程度高,渗透率低、内部裂隙少,浆液难以注入或注浆效果不佳,给煤矿安全生产带来了很大的影响。注浆在工程应用中已经得到了较大的发展,但是注浆理论还一直落后于现场实践,特别是低渗透介质中浆液的扩散机制研究尚处于摸索阶段,所以在工程实践中的部分注浆参数仍依赖于人为工程经验的判断,导致注浆材料的浪费和注浆效果不佳。并且在研究渗流、渗透扩散理论时把浆液简化为理想流体,使得注浆过程中的实际参数和理论计算存在误差。因此,研究浆液在低渗透介质中的扩散机理具有很好的现实意义。本文通过理论研究,在试
4、验模拟的基础上,观察浆液渗流渗透过程,分析扩散规律。试验过程.可视化高应力注浆试验系统介绍为研究浆液在高水压力、高地应力下孔隙渗透特征和扩散规律。结合原有的高压密封注浆试验系统,设计出能够进行实时监测,并得到浆液在低渗透介质中的微观扩散规律的可视化高应力注浆试验系统。此系统可以控制水压强和地应力,满足在高应力条件下的双液混合注浆,并能实现在试验过程中对浆液扩散规律的观察,而且可以对浆液渗流、渗透阶段的重要参数进行实时监测。可视化高应力注浆试验系统的功能系统组成:介质装载系统、水压力调控系统、地应力调控系统、显微镜像系统、参数监测和图像显示系统,浆液注入系统。系统示意图如图 所示。图 可视化高应
5、力注浆试验系统.实验设计与结果分析浆液在模型中的渗透,除孔隙的渗透特征外,影响浆液和水运动的主要有粘性力和压力,因此,选用雷诺准则和欧拉准则,欧拉准则为从属准则,满足雷诺准则自动满足欧拉准则。选用量纲分析法推导,选定几何相似常数,实验模型高度为.,渗透性相似常数为,注浆压力为.。以平朔井工一矿太西区 煤层中 陷落柱为工程背景,被注介质配比与陷落柱充填物的渗透系数相似,颗粒组成拟合级配实验结果,见表。第 期王崇智等:低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究表 颗粒组成及颗粒组成指标砾粒砂粒粉粒粘粒粒径.百分比.在实验过程中,发现当陷落柱原岩应力较小,易形成渗流通道或面状扩散,沿着一个或几个路径向远离孔
6、口的方向渗流,造成跑浆或周围岩体整体注浆效果较差,最终造成注浆效果差或者达不到注浆效果。为改善浆液渗流与渗透效果,采用间歇式注浆工艺,即在注浆过程中当注浆压力难以上升时,可能形成跑浆,可根据注浆量暂停,使浆液固结封闭渗流通道,再注浆形成新的通道,最终在注浆孔周边形成一个较为稳定的注浆加固圈,图 为间歇式注浆渗透模型图。扩散机理分析注浆试验完成后,得到固结体的上方为面状固结,下方为球状固结,经测量,其上部的渗流半径为,下部球形固结半径约为 左右,而渗流通道周边的渗透范围为.左右;剖开下方的球形固结体,如图 所示,固结体内部形成多个渗流通道,通道周边交叉渗透最终形成固结体。图 间歇式注浆渗透模型示
7、意图图 固结体模型图经过分析固结体,发现浆液从下部逐渐向上部渗透,渗透半径逐渐增大,当到达一定位置时,渗透半径快速增大,并形成近似球体状。浆液在注浆管周边有一个浆液渗流的优势路径,并在渗透过程中形成带状或柱面状,当浆液上升到一定高度时,浆液渗透的优势路径逐渐形成平面状,在优势路径周围的扩散形式主要表现为孔隙渗透。通过试验过程发现,浆液的扩散过程主要为两种:一是形成渗流通道,浆液沿着岩土中的裂缝进行面形渗流扩散,含水量丰富时,泥砂呈酥软态,注浆压力不断增大,达到极限时浆液再次被压力推入泥砂介质中,进行柱形渗流扩散,出现另一华北科技学院学报 年第 期条渗流通道;二是渗流通道周围孔隙渗透,以不改变岩
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