不同水灰比水泥净浆流变参数测定及注浆扩散特征.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期:基金项目:国家杰 出 青 年 科 学 基 金 项 目();山 西 省 科 技 重 大 专 项 项 目();山 西 省 重 点 实 验 室 建 设 项 目()作者简介:马敬凯,硕士研究生,主要研究方向为岩体力学与岩层控制。:不同水灰比水泥净浆流变参数测定及注浆扩散特征马敬凯,冯国瑞,李竹,(太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 ;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西 太原 ;山西省煤基资源绿色高效开发工程中心,山西 太原 ;山西浙大新材料与化工研究院,山西 太原 )摘要:为了探究不同水灰比水泥净浆的流变参数及注浆
2、扩散特征,采用流变试验和数值模拟等方法,分析不同水灰比水泥净浆的流变性能及流变参数,研究宾汉姆流体在破碎岩体中的注浆扩散特征。研究结果表明:根据水灰比()水泥净浆可分为幂律流体()和宾汉姆流体(),稠度系数、流变指数和浆液屈服应力随着水灰比的增大而降低;扩散半径与注浆压力、水灰比、裂隙开度分别呈幂函数、指数函数、线性增长关系,扩散范围为以注浆孔轴向为长轴、径向扩散半径为短轴的椭圆状;影响浆液扩散半径的主要因素依次为注浆压力、水灰比、裂隙开度。研究结果可为注浆工艺参数的确定提供参考。关键词:宾汉姆流体;注浆压力;水灰比;裂隙开度;扩散半径中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,
3、):,(),()(),:;引言在地下工程实践中,针对破碎围岩可能诱发的冒顶片帮等问题,现场往往采用注浆法对破碎岩体进行加固 。在实际应用中,浆液扩散对注浆效果的影响非常大 ,水泥材料作为经济易得的注浆材料,研究其在破碎岩体的扩散规律对确定注浆工艺参数以及评价注浆效果具有重要意义。李术才等 研究宾汉姆流体在微裂隙岩体的扩散机制,建立考虑浆岩 耦 合 效 应 的 注 浆 扩 散 公 式;柴 敬等 基于光纤传感技术对浆液扩散范围和状态进行监测,推导幂律流体球形扩散理论公式;等 基于自行设计的裂隙注浆模拟试验装置,分析化学浆液在裂隙中的扩散机制,研究注浆量对扩散半径和压力分布的影响;徐拴海等 发现超细
4、水泥浆液难以在砂岩微裂隙中流动;等 研究多孔岩石中化学浆液扩散规律,发现浆液扩散区域近似同心圆;吴爱祥等 、于少峰等 基于“刘嘉材公式”计算浆液在破碎围岩中的扩散半径,分析注浆压力、注浆时间和裂隙开度与浆液扩散半径的关系;徐斌等 研究倾斜裂隙中水泥基宾汉姆流体的运移机理,推导宾汉流体在倾斜裂隙中的扩散半径计算公式;王东亮等 推导不同流型浆液的扩散方程,研究不同类型流体浆液在单一水平裂隙内的扩散流动规律;阮文军 在水泥浆液黏度时变性的基础上,建立岩体裂隙浆液扩散模型。综上所述,现有研究中对破碎岩体中浆液扩散运移规律的研究较少,且较少涵盖宾汉姆流体在破碎岩体中的流动特征。因此,本文分析不同水灰比水
5、泥净浆的流变性能,揭示不同水灰比水泥浆液流体类型,确定不同水灰比水泥净浆的流变参数,探究宾汉姆流体在破碎岩体中的扩散特征,揭示注浆压力、水灰比和裂隙开度对扩散范围的影响规律及影响程度。试验设计 试验材料本文试验原材料采用 普通硅酸盐水泥和纯净水。称重不同质量的纯净水和水泥,混合搅拌均匀形成不同水灰比的水泥净浆,即水灰比 水质量 水泥质量 ,不同配比如表 所示。试验设备及方案试验设备及制样过程如图 所示。试验设备为 流变仪,该设备主要包括流变仪主机、测量头、控温系统、测量夹具以及配套的计算机等。共测试 种水灰比()的水泥净浆的流变性能,表 不同水灰比水泥净浆配比 水灰比水质量 水泥质量 水灰比水
6、质量 水泥质量 温度控制为 。将水泥净浆试样倒入流变仪 装样桶内,用法兰将装样桶固定于流变仪上,选择 圆筒转子,剪切速率设置为 。图 试验设备及制样过程 不同水灰比水泥净浆流变特征 不同类型流体本构模型确定流体本构模型对于深入研究浆液流动法则及各参数制约关系至关重要。本文开展不同水灰比水泥净浆流变试验,探究不同水灰比的水泥浆液归属哪种流体类型,对于后续揭示数值仿真计算中水泥浆液在裂隙高度发育岩体内的流动规律具有重要意义。一般来说,常见流体类型主要包括牛顿流体、幂律流体和宾汉姆流体。)牛顿流体(理想流体)的本构模型如式()所示:()式中:为剪切应力,;为流体的动力黏度,;为流体剪切速率,。)幂律
7、流体的本构模型如式()所示:第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术()式中:为剪切应力,;为稠度系数,;为流体剪切速率,;为流变指数。)宾汉姆流体的本构模型如式()所示:()式中:为剪切应力,;为屈服应力,;为塑性黏度,;为流体剪切速率,。水泥净浆流动曲线特征对试验数据分别进行牛顿、幂律和宾汉姆流体方程曲线拟合,取最优拟合曲线,得到不同水灰比下水泥净浆的流动曲线,如图 所示。由图 ()可知,水灰比为 ,的流动曲线向下弯曲,随着剪切速率的增大,曲线斜率逐渐减小。由图 ()可知,水灰比为 ,的流动曲线,在剪切应力大于某值时,才开始产生连续变形流动,曲线呈一条直线,斜率为恒定值,且在 轴上存
8、在截距,此截距大小为屈服应力。剪切速率相同时,水灰比越大,所对应的剪切应力越小。不同水灰比的水泥净浆流动本构方程及流变参数见表 。由拟合曲线方程形式可知,水灰比为 的水泥净浆属于幂律流体,水灰比为 的水泥净浆属于宾汉姆流体,幂律流体流变特性表现为剪切稀释。稠度系数 、流变指数 、屈服应力 与水灰比 之间的关系如图 所示。由图 ()可知,水灰比的大小与稠度系数、流变指数呈反比,即水灰比越大,稠度系数越小,流变指数越小,非牛顿性越强。这是因为随着水图 不同水灰比下水泥净浆的流动曲线 表 水泥净浆流动本构方程及参数 流体类型水灰比 本构模型稠度系数()流变指数屈服应力 密度()动力黏度 幂律流体 宾
9、汉姆流体 灰比的增大,水泥净浆中水的含量变高,水泥净浆流动性变差,黏度变小。由图 ()可知,屈服应力与水灰比整体上亦呈反比,即随着水灰比的增大,水泥净浆的屈服应力逐渐降低,水泥净浆产生流动的临界值越低。中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷图 不同类型流体流变参数与水灰比的关系 破碎岩体浆液扩散特征 破碎岩体注浆模型的建立浆液扩散在实验室监测难度较大,且注浆参数变量难以控制。根据测定的流变参数对宾汉姆流体在破碎岩体中的渗流场展开数值模拟研究。基于 建立破碎岩体数值模型,如图 所示。模型尺寸为 ,模型内部采用 算法 划分随机尺寸三角形子块,其平均棱长为 ,三角形子块数量为 块。注浆孔孔径为
10、 ,注浆孔长度取 。破碎岩体力学参数见表 ,节理面力学参数见表 。注浆压力对浆液扩散的影响规律注浆压力为 ,所对应的浆 液 扩 散 半 径 分 别 为 ,如图 所示。将注浆压力 与扩散半径 进行曲线拟合,二者呈幂函数增长关系,如图 ()所示,拟合方程如式()所示:()式中:为扩散半径,;为注浆压力,。注浆压力与扩散范围成正比,注浆压力增强,浆液图 破碎岩体注浆模型 表 岩石块体力学参数 密度 ()体积模量 剪切模量 表 节理面力学参数 法向刚度 切向刚度 内摩擦角 ()抗拉强度 黏聚力 在岩体内扩散越充分,扩散半径越大,扩散范围越接近圆形。不同注浆压力下浆液扩散范围曲线呈现以注浆孔轴向为长轴、
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