三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究讲课稿.doc

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三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究
第l7卷1期
2005年2月
中国煤田地质
COALGEOL0GYOFCH玎A
Vol_l7No.1
Feb.2005
文章编号:1004—9177(2005)01—0022-04
三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究
王万顺,耿玉岭,范运岭
(河南省地球物理工程勘察院,河南新乡453000)
摘要:在某高速公路采空区优化治理与质量检测研究课题中首次采用三维渗流方程对采空区冒落带,裂隙带的注
浆过程进行了数值模拟,其结果令人满意.根据设计的注浆压力和地层条件,利用数值模型来求得注浆量及注浆半径
(fiZ括冒落带和裂隙带),为优化设计提供依据.
关键词:数值模拟,采空区,冒落带,注浆
中图分类号:0242:TU473.1文献标识码:A
1注浆计算模型的建立
采空区充填注浆力求用较小的压力,达到较大
的扩散距离,其中浆液的流变性对注浆工程起着十
分重要的作用.对于一般的采空区注浆孔,要求浆液
具有较好的流动性,因为流动性好,浆液流动时的压
力损失就小,因而能自注浆点向外扩散更远;但对位
于采空区治理边界的帷幕孔,反而要求浆液具有较
小的流动性,以便控制扩散和降低浆液的损耗.
研究表明:采空区充填注浆的浆液按其流变性
为牛顿型或流塑型(宾汉流体),一般认为,浆液在孔
隙中流动时,其雷诺数不会超过临界值,因而浆液的
流变性可用层流条件下的流变参数表达.
采空区上覆岩层,自下而上由冒落带,裂隙带和
弯曲带组成.弯曲带一般裂隙不太发育,注浆层位多
是采空区的冒落带和裂隙带.根据钻孔揭露情况,大
部分冒落带岩心多成碎片状,极易破碎,裂隙孔隙杂
乱无章.在注浆模拟时,只能将其作为均质各向同性
的岩层处理,假定浆液在其中的运动服从达西定律
和质量守衡定律.对此可建立相关的数学模型.
按照采空区注浆井流的特点,数学模型采用三维
)E12
1,Y,z,￡),y,z)~12,扛0(I)
IJ『),z'￡)=p,y)Er,￡≥0
l(r)一Qlx,z0
式中:P为地层中浆液流动压力,MPa;为地层渗
作者简介:土万顺(1964一),男,高级1.师,1987q-f于西安地
质学院.从事物探测}作
收稿日期:2004一II—10
责任编辑:葛唬云
透率,m;为浆液粘度,Pa/.s;为地层和浆液综合
弹性系数,1/MPa;为孑L隙度;为地层初始压力,
MPa;为浆液扩展的外边界;rw为注浆井孔的半
径,m;为注浆井壁边界;为
渗流区域;Q为注浆量,m;口为
单位转换系数(8.64x10-5).M为受
注段长度,m.
2-有限元方程的建立J
x71
_
(i+CiCi++(66j+CiCj+)
+(6b+cc+d)
+(6b+cc+fzd.)Pm
+
,
(2OPi+OP.+等+鲁I:.(2)
等可用差分式代替(f.
同理可写出其他结点的有限元方程,就形成了有限
元方程组.
3注浆区域的剖分与求解
把三维注浆区域直接剖分成川面体单元,不仅
难以绘出醒目的图示,而且会使输入的信息数量太
大,因此住实际上都采用组合单元,最常用的是六
面体单元,每个六面体组合单元又u『剖分成五个L{
面体单元(有两种不同的剖分形]=I=)…只要输入组
合单元的信息,町由计算机n动削分成基本L{面体
单元进行计算,町按曲种削分形』卜算系数矩阵,
中
其
=
生
+
生
+
勰

1期王万顺,等:三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究
取每个系数的平均值.
六面体组合单元的剖分也是有计算机自动完
图2平面上的剖分示意图
Figure2Diagrammatic
illustrationofplanardissection
成的,剖分的原则是④
在平面上以井为中心
径向剖分(夹角为
10.);再以井为园心,做
不同半径的同心园剖
分,由井中心向外按对
数差值进行(图2);②
在垂向上,以△Z为步
长进行剖分,注意冒
落带,裂隙带,和弯曲
带的划分(图3).这样
善
就把整个注
浆区域剖分
△z成不同大小
320.340.0.20.40.
图3垂向上剖分示意图
Figure3Diagrammaticillustrationof
verticaldissection
的六面体组
合单元.
利用超
松驰迭代方
法求解有限元
方程组.
4采空区注浆数值模拟实例分析
利用上述模型对采空区注浆模拟,首先要确定图4注浆数值模拟流程图
地层的渗透系数,可根据压水试验求出地层渗透系ngure4Gmu6IIg""眦—山a6onn.Wchan
'】,【兰兰表.注浆孔注浆模拟参数和模拟结果表,段漏水量与段长和压TabIlBoreh～
anal
"
ogousparametersa
"
ndsimlIl.tedresults力的乘积之比)
:::
ct,:(3)
式中:Q为钻孔压水的稳定流量,
1/min;S为试段压水所施加的总压力
值,m;Z为试段长度,m.
再按下式近似计算岩层的渗透系
数:
K=0.525(tJlgf4】
r,
式中:r为钻孔半径.
有了地层参数和注浆实际水灰比测定出的浆液
粘滞系数,就可利用数值模型模拟注浆孔的注浆过
程.若注浆孔四周相邻注浆孔已经注浆,其边界可作
为隔水边界;若还没有注浆,其边界作无限边界处
理具体模拟流程见图4.
表l为B82孔及C75孔模拟参数,图5一图8
模拟结果
.曼
暑
豳:
划
注浆时问/min
图5(B82)模拟的注浆量与实际注浆量对比图
Figure5(B82)Comparisondiagramof
simulatedandactualslurrycapacity

中国煤田地质第l7卷
{
●
警l5
妇
甚
鼍
警l5
妇
l
1裂缝带高鏖,1\
●
,
\.,冒落带高度\
,.～,L
'—_..
020柏∞∞100120140
距注浆孔的距离/m
图6(B82)注浆高度图
Figure6(B82)Groutingaltitude
0100湖3∞●∞锄咖700
注浆时问/rain
图7(C75)模拟的注浆量与实际注浆量对比图
Figure7(C75)Comparisondlagrainof
simulatedandactualslurrycapacity
05lo15卫30再40西锄
距注浆孔的距离,m
图8(C75)注浆高度图
Figure8(C75)Groutingaltitude
通过上述部分注浆孔注浆过程的模拟,可看出
数值模型是比较符合注浆实际情况的.注浆量主要
与地层的渗透性有关,冒落带的渗透系数比裂隙带
大,其注浆半径明显变大.在模拟过程中还表现m『日j
歇注浆的优点,在暂停注浆的过程中,浆液产牛j=)c
淀,凝固,使已注地层渗透忤减小,防l卜扩敞造成
必要的浪费例如Bl8孔,符陔孔连续浆,浆i
|暄
01002003004005006OO700
距注浆孔的距离/m
图9B18孔连续注浆与间歇注浆高度对比图
Figure9BI8boreholecomparisondiagramofaltitudeby
continuousandintermittencegrouang
●
燃
0∞1啪1鼬∞oD锄锄4OOO
注浆时问/min
图10B18孔连续注浆与间歇注浆量对比图
Figure10BI8boreholecomparisond~gramof
slurrycapacitybycontinuousandintermittencegrouang
为525.38m,而间歇注浆的实际注浆量则为290.50
II1,连续注浆比间歇注浆量增大1.81倍左右,但仍
没有完全达到停止注浆的要求,导致注浆半径扩大
很多(图9).冒落带的注浆半径扩大245m,裂隙带
的注浆半径扩大8.6m.这说明地层(冒落带,裂隙
带)渗透性越大,间歇性注浆效果越好.
总之,通过注浆孔的压水实验求得地层参数和
根据实际水灰比测定出的浆液粘滞系数,利用本模
型能比较详细的模拟注浆的全过程.根据设计的注
浆压力和地层条件,可以求得注浆量及注浆半径
(包括冒落带和裂隙带).当注浆渗流模型应用于新
工区进行模拟时,能够确定注浆孔距和注浆参数,
为优化设计提供依据.
参考文献:
【l】孙纳地下水流的数值模拟和数值方法IM】-JE京:地质版社,
l981
{211{I丌铭,万力.各Ihl芹性裂c介质渗透的研究卜j泮价IM】JE京:学
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f3j地质部水文地质f地质技术力'法队.水史地质r册fMj—Ej:地
质…版{f.1078.
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卸{暑惯恤∞o

l期王万顺,等:三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究25
AStudyoll3DSeepageFlowModelSimulatedAbandonedWorkingsGroutingHarnessingProcess
WangWanshun,GengYulingandFanYunling
HenanGeophysicalEngineeringProspectingInstitute,Xinxiang,Henan453000)
Abstract:Inaresearchtopicofabandonedworkingsoptimizingcontrolandqualitydetectionunderanexpressway,weusethe
3DseepageflowequationonnimericManalogofgroutingprocessincavingzoneandfracturedzoneuponabandonedworkings
forthefirsttime,andtheresultisallthatcouldbedesired.Accordingtodesignedgroutingpressureandgeologicalcondition,
tousenumericalmodelappliesforslurrycapacityandgroutingradius(includingbothcavingzoneandfracturedzone),thus
provideabasisforoptimizeddesigns.
Keywords:numericalanalog,abandonedworkings;cavingzone;grouting
(上接第13页)
中南部和东部较早地发育了泥炭沼泽,
而北部则有沉积,而后逐渐向北发育了泥炭沼泽.
②在其它各煤层沉积时,本区的地形经过延安组
第一段和第二段下部的沉积,变得比较平缓,但南部
仍稍低于北部,矿区西部北西一南东向背斜已不复
存在,但北部策底南的东西向背斜仍然对各煤层沉
积起控制作用,使得各煤层在其背斜轴部缺失或变
薄.南部较低的地方,由于水体较深,各煤层都缺失.
这种构造格局,使得湖泊淤浅,水退过程从北向南进
行,各煤层的沉积也从北向南进行.
5.3古气候的控煤作用
在延安组第一段煤沉积时,本区为温暖潮湿
的气候,既有利于植物生长,又有利于泥炭的堆积,
为煤的形成提供了充分的物质保证.且长时间地
保持温湿的气候条件,使泥炭沼泽长期而稳定地发
育,从而形成了巨厚煤5的沉积.在延安组第二段沉
积时,为周期性的温湿气候条件,形成了间距比较稳
定的其它各煤层,但这种条件持续时间较短,形成的
煤层比较薄.另外,混浊水体常会将大量的细悬浮物
质带入沼泽,从而形成炭质泥岩或高灰煤.
当然,形成可采的,优质煤层的因素是综合的,
复杂的,多样的,是上述诸多条件在时间上,空间上
长期稳定综合作用的结果.
参考文献:
【l】甘肃省煤用地质146队.甘肃省华亭矿区砚北井用精查(勘探)报
告JR].平凉:甘肃省煤阳地质146队,1990.
【2】甘肃省煤用地质146队.甘肃省华亭矿区白草峪井用精查(勘探)
报告[tq.平凉:甘肃省煤用地质146队,1994.
【3】甘肃省煤用地质研究所.华亭矿区构造及控煤规律研究JR].兰州:
甘肃省煤用地质研究所,1992.
【4】武汉地质学院煤用教研室编.煤用地质学【M】(上,下册).北京:地质
出版社.1981.
【514=国力,等.华亭含煤岩系成因地层分析及其主煤层成因【R】,兰州:
甘肃省煤用地质研究所,1995.
CoalAccumulatingHistoryandCoalControllingFactorAnalysesintheHuatingMiningArea
ShenShulong
GansuBureauofCoalGeology,'Lanzhou,Gansu730000)
Abstract:ThepapermadeasummaryonstructuralcharacteristicsoftheShangjingminefieldhytheuseofgeologicaldata
fromexplorationintheminefieldandminingproduction.Figuredoutthatthemainstructureformintheminefieldisfold,
whilethedistinguishingfeatureisconvolutefold.ThecomplicatedstructuralframeworkWasformed"aftermultipletectogenetie
movements.Fourstagesofformingprocessesmaybe,summedup:coalhasinformingstage;firstorderfoldsandoverthrustsform—
ingstage;secondandthirdorderfoldsandaseriesofnormalfaultsformingstage;tectonicsystemstm'king,remoldingand
shapingstage.
Keywords:convolutefold;structuralcharacteristics;geneticanalysis;Shangjingminefieht

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