千米深井L型钻孔预注浆加固硐室围岩数值模拟及工程应用

以淮北矿业集团某煤矿千米深井大断面硐室岩层L型钻孔注浆加固为工程背景,围绕其高地压、近水平穿岩层的特点,运用多孔介质渗流理论,建立流固耦合的拟连续介质注浆模型。通过数值模拟分析,获得孤立孔和3孔同时注浆条件下注浆压力、浆液扩散半径与岩石渗透系数的关系,揭示高地应力作用下深部岩体地面预注浆浆液扩散规律。数值模拟结果表明,孤立孔注浆量Q与注浆压力gp、渗透系数k和注浆时间t呈线性关系,浆液的扩散半径R与gp、k、t呈平方根关系;同样注浆条件下L型3孔注浆的单孔注浆流量低于孤立孔注浆时的流量,而浆液渗透半径大于孤立孔注浆时的浆液渗透半径。据此指导制定了该工程注浆加固方案和注浆参数的合理选取,取得了预期效果。对今后类似工程的设计与施工具有较好的参考价值。     

金口河断层注浆扩散数值模拟研究

以沙坪一级电站左岸金口河断层为研究对象,根据实测资料,建立断层各渗流带注浆扩散数值模型,利用FLAC^(3D)内置Fish语言实现水泥浆液的粘度时变特性模拟,研究注浆参数对注浆效果的影响规律。结果表明,注浆压力对扩散半径的影响呈“阶梯型”,注浆压力越大,扩散半径越大;水灰比对注浆有效扩散半径的影响是有限的;渗透系数与有效扩散半径呈正相关;孔隙率与扩散半径均呈负相关。     

考虑黏度时变性的水泥浆液盾构壁后注浆扩散规律及管片压力模型的试验研究

对水泥浆液黏度时变性进行了试验研究,证实了工程常用水灰比范围内水泥浆液服从宾汉姆流体特性;不同水灰比浆液黏度均随注浆时间增大而大幅度增加。根据试验结果,考虑注浆过程中水泥浆液黏度随时间的变化,对盾构壁后注浆水泥浆液的扩散规律及因注浆而造成的管片压力进行了推导及分析。计算表明：相同注浆时间条件下,水泥浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力值均随注浆压力的增大而增大。考虑浆液黏度时变性后,扩散半径、注浆对管片压力值等均较不考虑浆液时变性时减小,且随注浆压力的增大,浆液黏度变化对管片压力值的影响更加明显。相同注浆压力条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力值均随注浆时间的增长而增加,但注浆前期增长速度较快,而后逐渐减缓。研究成果对于盾构壁后注浆工艺选择及参数设计具有较大的指导意义。     

盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析

在假定注浆浆液为牛顿流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率来考虑建筑间隙的影响,对盾尾注浆和管片注浆2种情况下的浆液渗透范围及因注浆而对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。结果表明,盾构隧道壁后注浆浆液的扩散半径及对管片产生的压力与注浆压力、注浆时间、土体特性及浆液性质等众多因素有关,盾尾注浆对管片产生的注浆压力小于管片注浆对管片产生的压力。在假定其他参数已知的条件下,通过一具体实例,讨论了盾尾注浆时浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力与注浆压力及注浆时间的关系。结果显示,虽然增大注浆压力、延长注浆时间均能增大浆液的扩散半径及对管片产生的压力,但增长速度不尽相同。     

土石混合体注浆扩散机制及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机制及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙比、浆液黏度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明：浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散。当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机制论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径影响因素的影响次序分别为：含石量>浆液黏度>孔隙比>注浆压力、含石量>注浆压力>浆液黏度>孔隙比。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

单一裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型,用计算机对单一裂隙动水注浆扩散模型进行编程和分析,试验验证该注浆扩散模型是合理的。研究结果表明,单一裂隙动水注浆在注浆前期浆液扩散面积呈圆形而在注浆后期浆液扩散面积呈椭圆形;浆液扩散半径与浆液黏度成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比;水流流动有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;水流流速增大或减小到一定程度时浆液扩散半径受水流流速的影响程度将逐渐减小;水流流动对逆水流方向扩散半径的影响程度大于顺水流方向扩散半径的影响程度;浆液扩散半径受水流流速影响最大,受裂隙开度影响次之,受注浆压力和浆液黏度的影响相对较小     

"抽注式"注浆法探讨

目前孔隙性围岩注浆参数大多是根据浅表土的渗透系数确定的，这不适合深层土注浆。本文从注浆压力对浆液扩散影响最显著的特点出发，提出用注浆孔与抽水孔同时工作的方法，这种方法可使浆液水力坡度增大，增加浆液有效扩散半径，提高深表土层注浆效果。     

土石混合体注浆扩散机理及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机理及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙率、浆液粘度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明:浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散,当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机理论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径的影响因素的影响次序分别为:含石量浆液粘度孔隙率注浆压力;含石量注浆压力浆液粘度孔隙率。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

帷幕灌浆扩散半径及数值模拟的研究

从连续性方程出发,考虑浆液压力对土体孔隙率的影响,分析推导了浆液在多孔介质中的渗流规律,并给出了扩散半径的简单近似计算公式;然后将二相流理论应用到注浆研究中,假设孔隙由水和浆液完全充填,且二者不相混溶,建立了浆液驱水的非稳定渗流模型。根据某大坝的实际情况,用FLAC软件中的二相流模块对大坝灌浆过程进行了模拟分析,并与推导公式相比较。由于二相流理论考虑了毛细压力的作用,模拟得到的浆液扩散速率递减得更快。模拟结果表明,浆液和水之间存在着一个过渡带,浆液的饱和度在不同时间和位置上是变化的。随着时间的延长,浆液扩散得越远,但其速率逐渐减小。扩散半径不仅与渗透系数有关,还与孔隙度有关,而且孔隙度较渗透系数对扩散半径有着更大的影响。二相流理论可以更好地模拟帷幕灌浆的浆液扩散情况。     

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究

为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明：（1）在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;（2）滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;（3）由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;（4）随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。     

幂律型浆液扩散半径研究

基于广义达西定律及球形扩散理论模型,推导出幂律型浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径计算公式。分析了注浆压力差随浆液流变参数c和n及浆液扩散半径的变化情况。注浆压力差随流变参数c,n分别呈线性和非线性变化,浆液扩散半径增大所需的注浆压力差也相应的增加,增长的幅度受浆液流变参数的影响显著。     

采空区松散堆积物注浆模型试验研究

以采空区松散堆积物为研究对象,分别设计模型箱注浆模型和压力注浆模型对浆液的扩散规律进行试验研究,探讨注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量对浆液扩散距离的影响规律。试验结果表明:注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量四个因素与浆液扩散距离之间存在定量关系,可用公式进行拟合,影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率,其次是注浆量和浆液水固比,注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小;浆液在松散堆积物中流动的压力损失是由浆液流速的不均匀性、浆液与松散堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的;对浆液在松散堆积物中扩散速率影响最为显著的是注浆压力,其次是堆积物孔隙率,浆液水固比影响最小。     

基于脉动注浆的宾汉流体渗透扩散机制研究

脉动注浆虽已在注浆防渗加固工程中得到推广应用,但浆液在脉动压力下的渗透扩散机制却鲜有报道,导致理论远滞后于工程实践。以宾汉流体流变方程、渗流方程及颗粒沉积理论为基础,推导了脉动压力下宾汉流体的渗透扩散理论计算公式,分析了脉动注浆参数对浆液扩散距离的影响,并通过室内注浆模拟试验对其进行了验证。结果表明,脉动压力下宾汉流体渗透注浆扩散理论计算值与试验实测值间存在一定误差,但能满足工程要求,可用于指导工程施工。随着脉动注浆连续时间的增长或地层初始孔隙率的增大,浆液扩散距离随之增大,而随着脉动注浆间隔时间的增长或地层初始孔隙率的减小,浆液扩散距离随之减小,实际注浆工程中为确保有效的浆液扩散距离,宜根据岩土体孔隙率合理地调节脉动连续时间和脉动间隔时间。研究成果可为脉动注浆理论研究提供借鉴,为实际施工提供理论指导。     

砾石土层中注浆扩散参数的研究

采用注浆模拟试验与数值分析等研究方法,探讨了砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体抗压强度等参数预测计算模型,并设计试验对其进行了验证。试验结果表明,砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及结石体的抗压强度等参数预测计算模型计算的注浆量、浆液扩散半径与注浆结石体抗压强度的理论值与试验实测值间虽分别有10%、5%、10%左右的差异,但均相差不大,因此,可用来预测砾石土层实际注浆工程中的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体的抗压强度等参数。研究成果不仅可为砾石土层实际注浆工程实践提供理论支撑,还可为砾石土诱发的滑坡、泥石流等灾害的防灾减灾提供技术参考。     

岩体裂隙动水注浆扩散半径影响试验

水灰比与注浆压力是动水注浆设计中的关键因素,基于自主设计的模拟裂隙动水注浆室内试验平台,开展了裂隙动水注浆试验,探讨了浆液在裂隙中的扩散方式,分析了纯水泥浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的联系,并通过计算流体力学软件模拟对试验结论进行了验证。研究结果表明:浆液的扩散方式为分区扩散,注浆压力不变时,扩散半径与水灰比成反比;水灰比不变时,扩散半径与注浆压力成正比。      

水泥基速凝浆液裂隙扩散机制与压力特性试验研究

水泥基速凝浆液广泛应用于富水裂隙围岩注浆工程。为研究水泥基速凝浆液在裂隙注浆中的扩散机制与压力特性,选取水泥-水玻璃浆液及高聚物改性水泥浆液,采用不同水灰比及混合体积,开展了静水条件下单一平板裂隙的注浆扩散模型试验,通过监测浆液的注浆扩散形态和注浆过程中不同测点的压力变化,研究了水泥基速凝浆液的静水扩散规律和注浆扩散压力分布规律。试验结果表明,水泥-水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液具有相似的扩散形态和压力分布变化,两者的显著差别在于高聚物改性水泥浆液扩散所需的注浆压力明显小于水泥-水玻璃浆液,且凝结固化时间相对较长,有利于延长注浆扩散距离。研究结果应用于张马屯铁矿注浆堵水工程,解决了裂隙岩体渗漏水问题,实现了围岩稳定性控制。研究成果具有一定的理论和实践意义,对类似工程具有参考价值。     

软弱地层注浆的细观力学模拟研究

基于散体介质理论的颗粒流方法,运用PFC2D软件对软弱地层注浆过程进行了细观力学模拟,研究了注浆压力、注浆时间、渗透性质及颗粒黏结强度对浆液扩散半径和注浆类型的影响规律。采用PFC2D软件内嵌的FISH语言,定义了提取特定位置流体域内压力值的函数,研究了浆液扩散的分布特征,考虑浆液黏度的时变性对浆液扩散范围的影响,定义有效注浆半径对其进行修正,得到的浆液扩散规律与球形扩散理论较为一致。结合工程实例进行了注浆细观力学数值模拟,并提出了科学的注浆方案,在现场应用后取得了较好的堵水加固效果     

富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究

注浆是处治隧道塌方、突水突泥等地质灾害的有效手段,但对于岩体结构多样、结构面发育的富水断裂带,注浆理论及控制技术尚不成熟。基于富水断裂带内部岩体结构,建立了注浆概念模型,提出了优势劈裂注浆概念。基于广义宾汉流体本构方程,建立单一平板优势劈裂注浆扩散模型,推导了考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程。由方程可知,注浆速率、注浆压力及浆液黏度是影响注浆扩散的3个主控因素。深入分析了优势劈裂注浆过程中3个主控因素对注浆扩散的影响规律,基于此提出优势劈裂注浆控制方法,形成了注浆压力差异控制、控制液动态调节及注浆速率梯度控制3项关键技术,促使浆液在优势结构面内控制性扩散。研究成果成功应用于江西省某隧道断裂带塌方处治工程中,取得良好治理效果,对隧道断裂带地质灾害控制理论研究和工程实践具有一定指导意义。     

烧变岩体特性及其注浆扩散行为研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的特殊类岩石。通过现场取样,在实验室对烧变岩试样进行了物理力学性质测试,试验结果表明：烧变岩的含水率略有降低,而力学强度普遍增强,泊松比略变小,烧变岩体裂隙发育。注浆压力作用下,分析了裂隙尖端的劈裂情况,在此基础上,利用宾汉浆液扩散模型编制了浆液在裂隙网络中的流动扩散程序,可以模拟浆液在非贯通裂隙网络内的流动扩散范围。最后对柠条塔井田烧变岩体进行注浆试验,利用浆液流动模拟程序进行了注浆压力的优化选择,并将实际浆液扩散范围与程序模拟浆液扩散范围进行对比,二者结果较吻合,该程序可以用来指导现场注浆工程参数设计和施工,同时烧变岩体注浆试验也为类似工程注浆施工提供一定的参考依据。