基于D-Rb-C耦合模型的破碎岩体注浆加固作用机制与规律.pdf
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1、基于 D-Rb-C 耦合模型的破碎岩体注浆加固作用机制与规律张洪伟1,2,3,4,5,姜汉1,刘世奇1,赵毅鑫1,2,孙晓冬6,平琦4,刘斌3,5,张通3,5(1.中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室,北京100083;2.矿业大学(北京)内蒙古研究院,内蒙古鄂尔多斯017010;3.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南232001;4.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001;5.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南232001;6.中煤科工开采研究院有限公司,北京100013)摘要:注浆加固是工程
2、岩体稳定性主动控制的有效方法,其作用机制主要是将浆液注入或渗入破碎岩体结构面中,形成注浆结实体,强化岩体稳定性和抵抗外力破坏的能力。为实现破碎围岩注浆扩散和固结全过程计算,提出了基于离散单元法的岩体注浆扩散固结作用机制,考虑了注浆过程中离散单元体中的完整接触、水力破坏接触和力学破坏接触 3 种情况,建立了 Bingham 流体扩散黏结固结(D-Rb-C)耦合模型,给出了基于 D-Rb-C 耦合模型的解算原理,开展了模型校核和算例分析,实现了浆液扩散黏结固结全过程解算,结果表明:单裂隙岩体全长注浆后,岩体剪切峰值强度较未注浆裂隙有一定提升,主要依赖于浆液凝固后所产生的剪切摩擦阻力;在单裂隙岩体点
3、注浆模拟实验中,随着注浆压力增加浆液不断扩散,岩体峰前剪切屈服阶段和峰后阶段不断强化。对于工程尺度破碎岩体,随着注浆压力增加,扩散半径呈两阶段增大趋势;浆液向深处高应力区闭合裂隙扩展需克服更大压应力,才能继续流动;注浆压力升高以后,相邻钻孔扩散范围叠加,形成封闭巷道的注浆结石体;当浆液凝固黏结强度较低时,结构面仍是控制围岩破坏失稳的主控因素。关键词:离散单元法;裂隙岩体;注浆加固;浆液扩散;耦合模型中图分类号:TD315文献标志码:A文章编号:02539993(2023)04146412Mechanism of grouting diffusion and consolidation ofro
4、ck mass based on D-Rb-C coupled modelZHANGHongwei1,2,3,4,5,JIANGHan1,LIUShiqi1,ZHAOYixin1,2,SUNXiaodong6,PINGQi4,LIUBin3,5,ZHANGTong3,5(1.Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing100083,China;2.Inner Mangoli
5、a Research Institute,China University of Mining and Technology-Beijing,Ordos017010,China;3.Key Laboratory of Safe and Ef-fective Coal Mining,Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,China;4.Engineering Research Center of Un-derground Mine Construction,Ministry o
6、f Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,China;5.State Key Laboratory ofMining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,China;6.CCTEG Coal Mining Research Institute,Beijing100013,China)Abstrac
7、t:Groutingreinforcementisaneffectivemethodforcontrollingthestabilityofengineeringrockmass.Themech-anismismainlytoinjectorinfiltratethegroutintothefractureofrockmasstoformagroutingentity,andstrengthenthe收稿日期:20220926修回日期:20230309责任编辑:郭晓炜DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1386基金项目:国家自然科学基金资助项目(52204162,5220412
8、1);北京市自然科学基金资助项目(3232026)作者简介:张洪伟(1990),男,山东邹城人,讲师,硕士生导师,博士。E-mail:引用格式:张洪伟,姜汉,刘世奇,等.基于 D-Rb-C 耦合模型的破碎岩体注浆加固作用机制与规律J.煤炭学报,2023,48(4):14641475.ZHANGHongwei,JIANGHan,LIUShiqi,etal.MechanismofgroutingdiffusionandconsolidationofrockmassbasedonD-Rb-CcoupledmodelJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):1464
9、1475.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023stabilityofrockmassandtheabilitytoresistfailures.Inordertorealizethecalculationofthewholeprocessofgroutingdiffusionandconsolidationinbrokensurroundingrock,adiffusion-consolidationmechanismofgroutingbasedondis-creteelementmethodwasprop
10、osed.Also,themodelcheckingandexampleanalysiswerecarriedout,andtheresultsshowthat:Inthefull-lengthgroutingofsinglefracturescenario,theshearpeakstrengthofthepost-fracturedrockmassishigherthanthatofthenon-groutingfracture,whichdependsonthefrictionalresistancegeneratedbythesolidificationandcohesionofthe
11、slurry.Inthepointgroutingsimulationexperiment,asthegroutingpressureincreases,thegroutcontin-uestodiffuse.Therefore,thepre-peakshearyieldingandpost-peakphasesoftherockmassarestrengthened.Fortheengineering-scalesimulationtest,asthegroutingpressureincreases,thediffusionradiusincreasesintwostages.Whenth
12、egroutexpandstothehigh-stressarea,itneedstoovercomeagreatercompressivestresstoachieveflow.Afterreachingarelativehighergroutingpressure,thediffusionareaofadjacentboreholesissuperimposedtoformagroutingwholebodythatsurroundstheroadway.Whenthesolidificationbondstrengthofthegroutislow,thefailureofcontact
13、isstillthemaincontrollingfactortodeterminethefailureandinstabilityoftheroadway.Key words:discreteelementmethod;fracturedrockmass;groutingreinforcement;groutdiffusion;coupledmodel注浆加固技术已在矿山、隧道、水利等工程领域广泛应用1-2,尤其是解决了煤矿采掘扰动巷道、软岩巷道等围岩稳定性控制难题3。工程岩体含有大量岩块和结构面,围岩或岩层的物理力学性质主要受结构面控制4。注浆加固作为工程岩体稳定性控制的有效方法,其作用机
14、制主要是将浆液注入或渗入此类结构面中,提高其黏聚力和内摩擦角5,形成注浆结实体,强化岩体稳定性和抵抗外力破坏的能力。注浆扩散加固理论涉及固体力学、流体力学、岩石力学等多门学科,在注浆扩散机理方面,浆液扩散主要以宾汉流体(Binghamfluid)渗流理论为主6,相关研究者已提出了很多浆液扩散半径的公式,如经典的球形和柱形扩散理论、基于黏度时变的宾汉流体渗流扩散方程、基于颗粒型注浆材料渗滤效应的流动方程等。在注浆加固机理方面,康红普等7指出了围岩注浆加固的 3 方面作用:提高结构面强度和刚度、充填并压密裂隙和封闭水气。随着注浆加固技术的广泛应用,其理论得到了不断发展,形成了多孔介质注浆理论、拟连
15、续介质注浆理论、裂隙介质注浆理论等,很好的指导了注浆工程实践。在岩体的注浆加固实验研究方面,已有研究同样取得了比较完善的成果,如高延法等8对煤层顶板完整砂岩试样进行了注浆强度强化实验,指出采用水灰比为 11 的浆液,在注浆压力为 10MPa、注浆 35min 后,岩石抗压强度提高了 1.32.0 倍;陆银龙等9指出了浆岩黏结界面微观结构及其力学性质控制着结构面的宏观力学行为。刘泉声等10开展了注浆加固岩体直剪实验,指出注浆加固增加了岩体裂隙抗剪强度及残余强度;与注浆前相比,注浆后裂隙试件抗剪强度增加了 1.11.7 倍,残余强度增加了 0.50.7 倍。由于地下工程岩体的隐蔽性,岩体内浆液的扩
16、散和加固过程很难在现场直观反映,数值计算为描述此类问题提供了重要手段。已有多数关于注浆加固数值解算的研究,集中在流固耦合作用下浆液的扩散范围上,采用有限单元法(如 FEM、XFEM、BEM)、离散单元法(DEM)等均可实现。在浆液扩散后的加固方面,秦建春等11采用有限元分析软件和材料参数替换法,模拟了岩体锚固注浆黏结效果;王连国等12采用 ANSYS 软件,通过给定范围锚注体材料参数的方法,开展了巷道锚注支护稳定性分析;袁海清等13首先通过经验公式划定了注浆范围,然后采用FLAC 计算软件圈定了注浆加固区,分析了超前预注浆对隧道围岩变形的控制效果;伍振志等14、王晓伟等15均采用注浆加固体等效
17、计算方法,依据理论和经验公式,将注浆体黏聚力和内摩擦角提高一定比例,分析了注浆对地铁隧道沉降的影响;颜峰和姜福兴16通过给定单斜及交叉裂隙的注浆黏聚力,解算了注浆岩体单轴抗压性能,并进行了实验对比;张连震等17在分析劈裂压密注浆加固机制的基础上,建立注浆效果简化物理模型,提出了注浆加固体性能的定量计算方法;王强等18通过建立二维正交裂隙网络宾汉浆液渗流模型,采用中心型有限体积法,研究了浆液在裂隙中的扩散范围,指出注浆压力、浆液黏度、剪切强度、裂隙开度和粗糙度对浆液扩散半径的作用,注浆压力、钻孔长度和裂隙开度对注浆量起到主要作用。尽管已有研究取得了很好的成果,但在注浆扩散加固的数值计算模型或方法
18、中,还存在以下问题需要深入解决:对工程岩体施工后,破碎岩体或塑性区的注浆扩散与加固如何实现?如隧道、巷道、基坑等第4期张洪伟等:基于 D-Rb-C 耦合模型的破碎岩体注浆加固作用机制与规律1465开挖后,势必产生一定塑性区范围,在数值计算中,这些范围表现为离散单元块体之间的破坏,而采用一些内置的本构模型(如常用的 Mohr-Coulomb 等)检验注浆加固效果,往往是预先圈定注浆扩散范围或围岩塑性区范围,然后进行参数修改。众多模型解算过程中,固体力学和流体力学的耦合主要表现在渗流过程和接触力学行为上(如拉/剪破坏、裂隙扩展等),其中,流体黏聚力、黏度等参数仅作用于流体流动过程,本质上不会改变浆
19、液凝固后裂隙面的黏结特性,这种情况加大了岩体注浆黏结的实现难度。在注浆扩散加固区域的耦合求解上,经常采用 2 种方法:一种是先通过理论或经验公式,直接划分注浆范围,然后在数值计算中根据圈定的范围强化接触参数;另一种是先数值解算注浆扩散区域,然后进行扩散区域参数的强化。显然,第 1 种方法并不能达到流固耦合效果,第 2 种方法更符合未破坏裂隙预注浆扩散和加固的实际情况,也是超前预注浆的一种实现手段,但对于开挖损伤裂隙而言,不可避免的又面临问题接触的重新黏结难题。总体来说,以上问题的核心是如何在单元体力学作用或流固耦合作用导致的接触破坏或未破坏情况下,实现浆液扩散与黏结全过程耦合计算。因此,为深入
20、认识岩石结构面注浆加固作用机制,还需要从微细观力学角度出发,考虑离散单元体浆岩黏结耦合作用,扩展到宏观流固耦合作用和规律上来。本文采用离散单元法,提出微观离散单元体之间的浆液“扩散黏结固结”力学机制,并采用 UDEC数值计算软件开展注浆岩体单结构面的直剪力学试验及校核,并通过算例对巷道破碎围岩进行注浆加固参数影响规律分析。本文旨在通过笔者对注浆加固模拟的思考,提出一种浆液流固耦合力学模型和解算原理,期望能为相关研究者开展注浆扩散加固数值计算和工程分析提供一定的借鉴。1离散介质 Bingham 流体流动模型离散单元法(DEM)是基于非连续介质理论发展出来的岩体力学计算方法19,所包含的节理或弱面
21、控制着岩体运动行为20。在 UDEC、PFC 等离散介质求解软件中,流体贮存在单元体(表现为块体、颗粒)等构成的虚拟孔隙/裂隙中,可通过给定接触开度/岩石孔隙度等信息进行流体力学解算。在 DEM 渗流模型中,主要采用立方定律求解压差和流量之间的关系。对于 Bingham 流体而言,其切应力不符合牛顿内摩擦定律,只有当单元流体剪应力超过某值时,才开始发生剪切变形,流体触发流动,随后表现出与牛顿流体一样的线性流动关系,该流体流动模型已普遍应用于泥浆流动计算。对于半径为 a 的水平圆管 Bingham流体流动,其液柱最小流体压差 J0必须满足:J0=y/a(1)式中,y为 Bingham 流体屈服剪
22、应力,与流体黏度等参数有关。2单元体浆液扩散与加固力学模型2.1注浆过程中接触的基本形式在离散介质中,接触内流体的流动存在 2 种情况:未破坏接触内的流动(图 1(a)和破坏接触内的流动(图 1(b)、(c)。对于接触的破坏,又存在 2 种力学原因:由于注浆压力 p 过大,导致接触在水力耦合作用下,产生张拉或剪切破坏(图 1(b),改变了裂隙张开度,类似于水力压裂或劈裂注浆作用;由于注浆前的开挖或开采扰动影响,导致接触在力学作用下(F),产生的张拉或剪切破坏(图 1(c),改变了裂隙张开度,类似于巷道围岩裂隙发育过程。归纳起来,流体在接触内的流动可分为 I 完整接触、II 水力破坏接触和 II
23、I 力学破坏接触 3 种基本形式。可以说,只有控制住以上 3 种接触形式中浆液的水力相互作用,才能更加精准地描述浆液的扩散范围和扩散能力。流出单元体 1单元体 2p流入接触通道流出单元体 1单元体 2流入FF单元体 2流入流出单元体 1F拉剪(a)I 完整接触(b)II 水力破坏(c)III 力学破坏图1注浆过程中接触的破坏形式示意Fig.1Schematicdiagramsofcontactfailuresduringgrouting1466煤炭学报2023年第48卷2.2扩散黏结固结(D-Rb-C)耦合模型为实现离散介质中浆液“扩散凝固黏结”的全过程,并对注浆过程中 3 种接触形式的全部控
24、制,提出扩散黏结固结模型(D-Rb-C)模型。在接触上的流体压力表示为Fi=pniL(2)式中,Fi为单元体接触力;p 为流体压力;ni为法向方向;L 为接触长度。接触内的渗流过程,用达西定律表示为q=kja3Fip/L(3)式中,q 为流量;kj为接触渗透系数;aFi为接触开度;p 为压差,对于 Bingham 流体,存在最小流动压力梯度(或启动压差),需满足 J02y/aFi。接触的开度 aFi表示为aFi=a0+aFi(4)式中,a0为接触力为 0 时的初始水力开度;aFi为接触开度变化量,受压降低,受拉增高。局部流体注入模型:p=Kw(QtV)/V(5)Q式中,Kw为流体刚度;为注水点
25、或流体阈的累计流量;t 为时间差;V 为力学开度引起流体阈体积的变化量;V 为流体阈的平均体积。特别的,对于注浆中接触的 3 种基本形式,引入浆液黏结过程,需根据流体压力确定,即cp=f(ci,cb,cs)(6)式中,cp为与流体压力有关的浆液凝固黏聚力;ci、cb和 cs分别为浆液流态黏聚力、节理初始黏聚力和浆液固态黏聚力。一般情况下,待稳态流动 Fs或规定时间的瞬态流动 Ft条件满足后,并认为 Bingham 流体孔隙压力梯度超过 2y/a,满足凝固黏结条件,针对 I 完整接触、II水力破坏接触和 III 力学破坏接触 3 种基本形式,扩散黏结控制方程为cIi(x,y)=ci,ifFs,F
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