奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制PFC数值分析.pdf
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1、奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制 PFC 数值分析柳昭星1,2,张旗3(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077;2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077;3.武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072)摘要:超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段,而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节,但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清,致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制,难以保证注浆效果。针对上述问题,利用颗粒元(Particle FlowCode,PFC)数值模拟软件,考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面
2、和裂隙的倾角和宽度等因素,开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明:在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(11、21、31)的增大而减小,随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大,随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30、60、90)的增大而减小;起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展;起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小,当弱面强度较高时,起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力,而且沿着基质起裂;当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时,起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂,当注浆孔置于弱面中间位置时,起裂裂隙沿中间位置的基质起
3、裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制,指导注浆参数的选取,为解放深部煤炭资源提供技术支撑。关键词:底板区域治理;奥陶系灰岩顶部;劈裂注浆;裂隙起裂机制;PFC 数值分析中图分类号:TD754 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)10-0072-14PFCnumericalanalysisoncrackinitiationmechanismoffracturegroutingintopofOrdovicianlimestoneLIU Zhaoxing1,2,ZHANG Qi3(1.CCTEG Xian Research Institute(Group)Co
4、.,Ltd.,Xian 710077,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention andControl Technology for Coal Mine Water Hazard,Xian 710077,China;3.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:The advanced regional grouting is an effective means to prevent and control the water hazard o
5、f limestone incoal seam floor,and the fracture grouting projects is a key link to determine the effect of the grouting in floor againstwater hazard.However,due to the unclear understanding of the fracture initiation mechanism of the injected limestonestratum,the grouting pressure,grout water-cement
6、ratio and other grouting parameters in the process of fracture grout-ing are not effectively controlled.Thus,it is difficult to guarantee the grouting effect.In order to solve the above prob-lems,numerical simulation calculation was conducted for the fracture grouting in top of Ordovician limestone
7、with theParticle Flow Code(PFC)numerical simulation software,considering the grout water-cement ratio,in-situ stress,and thedip angle and width of weak surface and crack.The results show that:The fracture initiation pressure decreases with theincrease of the grout water-cement ratio(11,21,31),but in
8、creases with the decrease of the difference betweenthe maximum and minimum principal stresses(9,12 and 15 MPa)under the weak surface and fracture conditions.Be-sides,the crack initiation pressure decreases with the increase of the width of the weak surface or crack(3,8,15 mm)and the angle between th
9、e weak surface/crack and the maximum principal stress(30,60,90).The initiated cracks 收稿日期:2023-01-10;修回日期:2023-05-24基金项目:国家自然科学基金项目(52104240);陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-320)第一作者:柳昭星,1988 年生,男,山东肥城人,博士,副研究员,从事煤矿防治水工作.E-mail: 第 51 卷 第 10 期煤田地质与勘探Vol.51 No.102023 年 10 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONOct.2023柳昭星,张
10、旗.奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制 PFC 数值分析J.煤田地质与勘探,2023,51(10):7285.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0019LIU Zhaoxing,ZHANG Qi.PFC numerical analysis on crack initiation mechanism of fracture grouting in top of OrdovicianlimestoneJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(10):7285.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0019
11、propagate along the direction parallel to the maximum principal stress.The fracture initiation pressure decreases with thedecrease of strength ratio of weak surface to matrix(0.30,0.03).In case of weak surface with high strength,the fractureinitiation pressure is greater than that under the fracture
12、 condition,and the cracks propagate along the matrix.When thegrouting hole is located at both ends of the weak surface or in the middle of the crack,the cracks are initiated along theweak surface or at both ends of the crack.When the grouting hole is located in the middle of the weak surface,the cra
13、ckspropagate along the matrix in the middle position.Generally,the research results are helpful to the effective control offracture grouting in the advanced regional for floor reconstruction against water hazard,and guide the selection of grout-ing parameters,thus providing technical support for the
14、 development of deep coal resources.Keywords:floor regional treatment;top of Ordovician limestone;fracture grouting;fracture initiation mechanism;Particle Flow Code(PFC)numerical analysis 为解决华北型煤田基地奥陶系灰岩(简称奥灰)含水层对煤层开采的突水威胁1-2,许多矿区采用水平定向钻技术对奥灰顶部岩层进行超前区域注浆改造,以增加隔水层厚度,实现煤层安全开采3-5。其中,高压劈裂注浆是决定底板水害超前区域注浆
15、工程效果的关键环节6,但由于对奥灰顶部劈裂注浆裂隙起裂机制认识不清,对于浆液水灰比、注浆压力等关键注浆参数的选择缺乏科学依据,无法实现对劈裂注浆的有效控制,致使注浆改造效果难以保证。因此,有必要针对奥灰顶部岩层劈裂注浆裂隙起裂机制进行深入研究,实现对超前区域改造中劈裂注浆的有效控制。由于裂隙岩体劈裂注浆过程的隐蔽性和复杂性,近年来,随着计算机技术的快速发展,数值分析成为研究劈裂注浆的一种快速、有效的方法,主要包括基于连续介质力学的有限元法、扩展有限元法7、边界元法8、无网格法9,基于非连续介质力学的离散元法10和不连续变形分析法11,以及 2 种介质力学耦合的有限元离散元法(Finite Di
16、screte Element Methods,FDEM)12等。Chen Tielin 等13 采用有限元法与流体体积相结合的混合方法,建立了模拟土体劈裂注浆过程的数值模型,在均质和非均质土中,数值再现了裂缝的萌生、分枝、扩展和注浆浆脉的生长。颗粒元(Particle Flow Code,PFC)方法基于不连续介质的基本假设,能更加准确地分段模拟非连续介质之间的作用状态,适用于研究颗粒集合体的破裂和裂隙发展问题,而且可从微观结构角度研究介质的力学特性和行为,因此可更好地模拟注浆浆液和岩层的相互作用机理14,是揭示岩体劈裂注浆裂隙起裂机制的有效手段。Zhang Zhenlong 等15利用 PF
17、C2D颗粒流软件模拟浆液在黄土中的扩散过程,结果显示出与试验相同的“Y”形扩散浆脉。增大差应力会导致裂缝穿越而不是转向到脉内;Zhang Qi 等16利用 PFC2D模型捕获了水力裂缝与薄弱面之间的 3 种相互作用模式:穿过薄弱面、向弱平面交叉和分支、滑移或止损;孙锋等17研究表明注浆压力是影响土体改性效果的主要因素,验证了颗粒流模拟土体劈裂注浆过程的可行性;秦鹏飞18利用 PFC2D得到浆液黏度增加有利于提高劈裂压密注浆的注浆效果,摩擦因数增加则对注浆效果影响不大。耿萍等19针对围岩注浆进行了颗粒元数值分析,研究得到注浆压力增大,注浆形式由渗透注浆变成劈裂注浆,劈裂注浆的效果优于渗透注浆,但
18、该内容中并未涉及弱面或裂隙的劈裂注浆研究。上述关于底板裂隙岩体劈裂注浆裂隙起裂机制的研究成果主要针对土体或砂层的劈裂注浆,并未针对岩体系统开展关于浆液黏度、应力状态、裂隙或弱面参数等对裂隙或弱面劈裂注浆起裂机制的影响研究。因此,笔者基于颗粒元(PFC)数值分析方法,对弱面和裂隙等不同介质在不同地应力水平、宽度、倾角、浆液水灰比等工况下进行模拟计算,以揭示不同影响因素对奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂的影响机制。1流体运动方程在 PFC2D数值模型中,浆液与颗粒体通过流固耦合的相互作用实现动态计算。颗粒体的孔隙间存在能承受水压的流体域,通过假想的管道与四周连通,注浆过程中浆液通过连通的流体域和颗粒
19、间的管道实现动态传播和扩散(图 1)。图 1 中由绿色线条围成的闭合多边形区域称为流域,流域是作为存储压力的单元,流域之间通道相互连接,流体可以自由流动,黑色圆点表示域的中心。浆液在管道内的流动假定遵从裂隙立方定理,其流量 Q 计算式20为:Q=w3p12vL(1)p式中:为 2 个相邻流域的压力差;w 为管道的宽度;L 为管道的长度;v为液体的黏度。tpd流速与管道宽度的三次方成正比,因此,管道宽度微小的改变可以导致流速的急剧变化。在流体计算过程中,存储在流域内的流体压力在每个时间步长内及时更新,并以体积力的形式作用于周围颗粒上。每个时间步长内流域中流体压力的改变,可以通过第 10 期柳昭星
20、等:奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制 PFC 数值分析 73 下式计算21:pd=KfVd(Q tVd)(2)式中:Q 为该流域从周围流域中获得的总流量;Vd为由体积力引起的流域体积改变量;Vd为流域的表观体积;Kf为流体的体积模数。流体压力作用在周围颗粒上引起颗粒的移动和流域体积的改变,从而改变了接触力及流体管道的宽度,进而影响了流体在各流域之间的流动(图 2)。在流固耦合计算过程中,管道宽度的大小与颗粒间接触力分布情况密切相关:当颗粒间接触力为零时,对应的管道宽度为 w0,称为残余宽度;当法向接触力为压力时,管道宽度随法向接触力的增大而减小,此时管道宽度与残余宽度间的经验关系如下:w=w
21、0F0F+F0(3)式中:F0为管道宽度由 w0减小到 w0/2 时的法向压力;F 为当前荷载作用下的法向接触力。在每个时间步长内,模型中所有的流体管道根据式(3)重新计算,及时更新。当法向接触力为拉力时,文中将管道宽度取残余宽度;如果黏结破坏后,即微裂缝形成后,裂缝两侧流域内的液体压力强制取 2 个流域内压力的平均值。由式(3)可知,模型的宏观渗透率与残余宽度密切相关,残余宽度可以由下列公式计算:w0=12kR2p/L(4)式中:k 为模拟材料的真实宏观渗透率;Rp为颗粒半径。更新流体流量颗粒受力牛顿第二定律更新颗粒速度与位移力位移关系流体改变颗粒受力颗粒受力改变流域面积与流动管道长度和宽度
22、耦合流体压力流体计算更新流体压力流体流量pd=(QtVd)KfVd12Vw3Q=Lp更新颗粒受力图 2 PFC 中流固耦合迭代算法路线Fig.2 Fluid-structure interaction iterative algorithm in PFC tpD为了保证模拟过程中流体计算的准确性,模型应该处于准静态状态,流体计算时间步长()不应超过临界时间步长。假设某个流域内存在扰动压力,由于扰动压力引起流入单个流域内的流量 Q 可由下式得出:Q=Npw3pD/24vR(5)R式中:Np为连通该流域的管道数目;为该流域周围颗粒的平均半径。pdpdpD通过式(2)计算出该流量引起的液体压力变化(
23、)。为了确保流体计算过程中的稳定性,扰动流量引起的压力变化()必须小于扰动压力()。因此,系统时间步长必须满足下列关系:t 24vVdRNpKfw3+VdQ Sf24vVdRNpKfw3(6)式中:Sf为安全系数。Vd由于体积力引起的流域体积变化值()相对较小,可以忽略不计,因此,时间步长的计算仅需满足公式中的前一项。此外,为了确保计算流域内的稳定性,系统时间步长必须取所有局部时间步长中的最小值,同时需乘以一个安全系数(0Sf1)。2劈裂注浆模型建立本次数值试验共生成 44 956 个颗粒单元,颗粒粒 固体颗粒流域流域中心管道(a)流体网络(b)流域和管道Domain 1Domain 2Dom
24、ain 3流域间连接管道wL图 1 PFC 流体网络结构Fig.1 PFC fluid network structure 74 煤田地质与勘探第 51 卷径在 0.550.91 mm 均匀分布。为了保证颗粒体生成在指定的边界范围内,可以在模型四周设置墙体以防止颗粒逃逸,待不平衡力消除后将墙体删除。通过调用 FISHTANK 中的 zap_dead_ends 函数可以去除接触连接小于 2 的颗粒,从而保证注浆过程中所有的管路都畅通。该模型标定是以河北峰峰矿区梧桐庄煤矿奥灰顶部地层物理力学性质为参考,首先进行单轴压缩试验,标定数值模型中的微观参数,数值模拟与室内试验宏观力学参数对比见表 1,数值
25、结果的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比与室内试验结果基本吻合,PFC 模型的微观参数见表 2。表1数值模拟与室内试验试样宏观力学性质对比Table1Comparisonofmacroscopicmechanicalpropertiesbetweennumericalsimulationandlaboratorytestsamples类型单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比室内试验30.304.070.25数值模拟31.833.960.25 表2劈裂注浆模型试样微观参数Table2Microscopicparametersofsplitgroutingmodelspecimen类型弹性模量/
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