定向区域注浆三维模拟试验系统研制及应用

2023-08-29陈军涛李文昕李光强

煤炭科学技术 2023年7期

陈军涛，朱君，刘磊，李文昕，李光强，张毅，李昊

（1.山东科技大学能源与矿业工程学院, 山东青岛 266590；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点试验室, 北京 100013；3.山东科技大学矿业工程国家级试验教学示范中心, 山东青岛 266590；4.山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿, 山东德州 251105）

0 引言

煤炭作为我国能源安全压舱石的主体地位短期内不会改变[1]。随着我国煤炭资源开采逐步转入深部和下组煤（后组煤），深部煤炭资源与地下水资源处于同一地质构造中[2]，矿井水害威胁更加严峻[3]。定向钻孔注浆是实现水害区域超前治理的关键技术[4-9]。研究定向钻孔注浆浆液的扩散规律[10-12]，探究浆液在含水层内的扩散特征及其效果，对实施矿井水害的高质量精准治理具有重要的理论和实际意义。

相较于现场注浆工业性试验，注浆模拟试验系统具有试验简单、成本低、可重复、观测效果较好等优点，受到国内外学者的高度重视，成为隧道、地铁、矿山等地下工程施工的研究基础和指导参考。李建等[13]、LI 等[14]和LIU 等[15]设计了可视化注浆模拟试验系统，分别对注浆充填浆液扩散规律、浆液扩散过程的动态追踪和浆液在随机裂隙网络中的扩散和迁移模式进行了研究。张嘉凡等[16]和XU 等[17]研制了动水裂隙注浆试验系统，研究了水流和注浆速度对浆液固结体形态的影响和在动水条件下倾斜裂隙注浆的浆液扩散规律及封堵机理。赵红芬[18]、郑恺丹[19]、张伟杰等[20]研制了三维注浆系统，对渗透注浆、黏土介质注浆以及采动覆岩隔离注浆充填的浆液流动规律进行了研究。程桦等[21]、NIU 等[22]、张振峰[23]研制了劈裂注浆相关试验装置，对劈裂注浆起裂机制，劈裂注浆改性过程中的裂隙扩展特征、浆液渗流规律、注浆改性强化机理等问题开展了研究。章檀[24]、余永强等[25]和王晓晨等[26]基于自主研发的裂隙注浆模拟试验平台开展了裂隙注浆模拟试验，研究了浆液在岩体裂隙中的扩散特性。李涛等[27]针对性研发了单孔放水试验装置及配套使用技术。在开展单孔放水试验的基础上，结合突水优势面理论提出了底板分类注浆技术。CHENG 等[28]开发了一种注浆试验设备，通过一系列的注浆试验，分析了注入压力与注入速率的关系，研究了临界渗透速度、裂缝起始压力以及影响裂缝起始压力的因素。

以上注浆模拟试验系统，具有一定的先进性，但存在以下不足：①未针对定向钻孔注浆做出功能性的设计，不能实现定向钻孔条件下不同分支孔布设方式的注浆模拟试验；②未能实现区域化注浆模拟；③不能提供高水压动/静水的模拟环境，无法进行高压动/静水环境下的浆液扩散规律研究。为克服以上研究的不足，实现定向钻孔条件下不同分支孔布设方式的注浆模拟、区域化模拟、高水压动水注浆模拟等功能，笔者研制了定向钻孔注浆三维模拟试验系统，并运用该试验系统开展了相关研究工作。

1 定向钻孔注浆的三维模拟试验系统

基于定向注浆现场治理矿井水害工程背景，自主研制了定向钻孔注浆三维模拟试验系统，该系统主要由4 个子系统组成：试验台系统、注浆系统、注水系统及数据监测系统，如图1 所示。

图1 定向钻孔注浆三维模拟试验系统Fig.1 3D simulation test system for grouting in directional drilling

1.1 试验台系统

试验台整体密封，尺寸为150 cm×100 cm×50 cm（长×宽×高），顶部和侧面为可拆卸结构，易于装载和拆卸试验材料。试验台侧面由透明亚克力板制成，便于观察浆液扩散状况，如图2a 所示；侧板开有定向注浆口和注水孔，如图2b 所示；内部注浆管采用ø6 mmPV 材质软管。试验架钢架结构，高30 cm，底部安装滚轮，根据需求可移动或固定承载试验台。试验台设置有6 个注浆口，4 个注水孔。试验台主体能够满足注浆加固体开挖取样的需求；两侧有供水口，透水口均匀分布在顶板上，保证注浆时有一定的排水压力和加固效果的均一性。

图2 可视化承载试验台Fig.2 Visual bearing test bench

1.2 注水系统

注水系统包括空压机、稳压调节器、高压供水水泵、稳压储水腔、压力输水管等。该系统可以实现多级可控的恒定水压和动水条件。空压机输出高压气体并经稳压调节器在0～0.7 MPa 范围内调整压力。当进行浆液−水驱替试验时，通过该子系统驱动承压水注入到试验台内。

1.3 注浆系统

注浆系统由空压机、搅拌机、压力桶、注浆管、压力监测仪等组成，注浆压力最大为0.7 MPa，如图3 所示。空压机与限压阀等组成供压设备，搅拌机、压力桶和压力检测仪等组成出浆设备，考虑浆液在桶内会随时间发生沉降凝结，故在桶底部设计了涡轮旋桨，使得流出浆液的流变性质与试验设计时保持一致。注浆口处安装压力表，满足读取压力的需求。供压设备不仅可以为注浆试验的浆液提供恒定压力，在进行浆液−水驱替试验时，通过安装在空压机处的分流阀，还可为实现动水环境的模拟提供动水压力。

图3 注浆系统Fig.3 Grouting system

1.4 数据监测系统

数据监测设备是定向钻孔注浆模拟试验系统的重要部分。该系统由计算机、数据采集装置及测控系统软件等部分组成。数据采集器预埋在相似模拟试验材料中，通过采集器收集注浆压力、流量等数据，然后传输到计算机，如图4 所示。

图4 数据采集装置Fig.4 Data acquisition device

2 系统工作原理

图5 为定向钻孔注浆三维模拟试验系统原理，通过注浆装置向试验台主体提供所需的注浆条件，通过承压水仓装置向试验台主体提供所需的动水条件，通过数据监测装置动态监测试验过程及实现处理信息的功能，在试验台主体内铺设预制有注浆支管的岩体相似材料。通过试验台与注浆装置、承压水仓装置和数据监测装置的相互配合，可研究浆液在导水、储水空间的扩散、贮留机制，探究动水条件下和采用不同注浆分支孔布设方式下对目标岩层的注浆改造机理、以及浆液−水驱替扩散的规律。

图5 定向钻孔注浆三维模拟试验系统原理Fig.5 Schematic of directional drilling grouting 3D simulation test system

3 系统的主要特色

1）定向注浆模拟。该系统设计有多个平行分布于试验台两侧的注浆孔口，可模拟水平多分支定向注浆，可将注浆管设置为羽状或扇形状分布，实现定向钻孔三维注浆的试验模拟，如图6 所示。

图6 定向注浆分支孔类型Fig.6 Directional grouting branch hole type

2）浆液三维扩散。试验台尺寸为150 cm×100 cm×50 cm，高度尺寸满足浆液三维扩散条件，另外还可布设不同空间位置的注浆分支孔，研究在不同空间位置布设注浆孔进行注浆后浆液的扩散情况和相互影响规律。

3）动/静（高）水压。试验台密封良好，可提供0.7 MPa 水压，模拟高水压环境。试验台设置有多个进水口和排水口，进水口可与注水系统连接，提供动水环境。也可将注水系统的空压机等关闭，仅提供静水环境。研究岩体中浆液−水驱替作用机制。

4）区域化试验模拟。可实现注浆的区域化模拟，探究不同分支孔布设方式下的浆液扩散特性，为煤层开采前的水害区域化超前防治提供了研究思路。

4 验证试验

4.1 试验设计

以黄河北煤田灰岩含水层定向注浆治理为参考，模拟定向区域注浆，试验注浆时间设置为3 min，土体渗透系数为1.2×10-2cm/s，土体孔隙率为0.25，浆液黏度与水黏度比为11.5，注浆孔半径0.25 cm，注浆压力0.2 MPa。选取钻探裸孔长度因素设计了3组类别的底板含水层注浆模型试验，研究在不同钻探裸孔长度条件下浆液的扩散范围，验证试验系统的可靠性和科学性。

4.2 模型铺设

陈军涛等[29]研制的深部新型流固耦合相似材料中，石蜡（54°）和凡士林作为胶结剂能够满足固体变形和渗透性相似2 个特殊条件。相似材料中砂粒间的间隙视作灰岩中的裂隙和孔隙。材料配比见表1。

表1 模型铺设材料配比Table 1 Proportioning of model paving materials

分别以200、250、300 mm 的定向分支裸孔为研究对象，将3 种不同长度的裸孔设为一组，共布设2 组，分别置于试验台两侧。2 个注浆裸孔之间的间隔为30 cm，每个注浆裸孔的倾角为60°，如图7 所示。模型分2 cm 一层进行铺设，在埋设制备钻探裸孔的塑料棒后，由试验台横向中间线向两侧依次铺设相似材料并进行充分夯实。在铺设到钻探裸孔与注浆管交接处时，取出塑料棒，放回注浆管，预埋钻探裸孔如图8 和图9 所示。试验分3 组进行，见表2。注浆72 h 后，进行人工开挖，以先周围后中间的顺序，刨去无注浆结石体的砂砾石料。

表2 注浆裸孔试验Table 2 Grouting open hole test

图7 试验模型三维视图Fig.7 3D view of experimental model

图8 预埋钻探裸孔试验Fig.8 Pre-buried drilling of bare holes

图9 预埋钻探裸孔平面Fig.9 Embedded drilling open hole

4.3 结果分析

4.3.1 应力分析

对试验数据进行分析，应力随时间的变化趋势如图10 所示。

图10 不同裸孔长度的应力变化趋势Fig.10 Stress detection values of different open hole lengths

由图10 可知，试验初始阶段应力基本不显示，在5～10 s，应力开始呈阶段性线性增长，且增长速度极快，后稳定于70 kPa 左右，持续到试验结束后，应力值直线下降。分析其原因，试验时，模拟岩层中含有预置的钻探裸孔，在注浆试验的前10 s，浆液为裸孔填充阶段，对周围岩层产生压力较小，故此阶段无明显的应力显现。随着注浆的进行，裸孔填充完成，浆液开始渗透进入模拟材料中，此时压力值开始攀升，在升至70 kPa 左右时趋于稳定。实际注浆工程中，钻探裸孔会在灰岩含水层中形成一条连通各岩溶孔隙的通路，浆液会以钻探裸孔为中心，向四周扩散。注浆的初始阶段，浆液经由注浆孔口开始扩散，但由于注浆时间较短，浆液扩散范围较小，初始的注浆压力变化不易检测。

4.3.2 注浆结石体形态

在浆液持续向四围扩散的过程中，其与砂层颗粒形成胶结，凝固后形成结石体，如图11 所示。

图11 结石体细节Fig.11 Details of stone body

不同长度的注浆钻探裸孔注入同性的浆液，浆液扩散范围的特点有所不同。在裸孔靠近注浆口的一端，3 种长度的钻探裸孔注浆浆液扩散的距离分别为7、6、5.8 cm，在裸孔远离注浆口的一端，3 种长度的钻探裸孔注浆浆液扩散的距离分别为7、3.5、2.3 cm，浆液扩散的距离较靠近注浆口一端的数值差别较大。不同裸孔长度的注浆结石体如图12 所示。

图12 不同裸孔长度的注浆结石体Fig.12 Grouted stone bodies with different open hole lengths

4.3.3 浆液扩散特征

裸孔长度为200 mm 时，浆液在裸孔两端的扩散距离均为7 cm，两端扩散距离的差值为0，注浆结石体呈现以裸孔为中心轴的近圆柱体形状。裸孔长度为250 mm 时，两端扩散距离的差值为2.5 cm，裸孔末端的浆液扩散距离为注浆孔处扩散距离的60%，注浆结石体呈现以裸孔为中心轴的圆台形状。裸孔长度为300 mm 时，两端扩散距离的差值为3.5 cm，裸孔末端的浆液扩散距离为注浆孔处扩散距离的40%，差值进一步变大，比注浆裸孔为250 mm 时降低了20%，注浆结石体也呈现以裸孔为中心轴的圆台形状。钻探裸孔增加相同的长度，裸孔越长，浆液在裸孔两端的扩散范围的差值越大。由此可知，相同的注浆压力下，裸孔越长，驱动浆液损失的压力越多，到远离注浆口处剩余的压力越小，因此浆液扩散的距离越小。在增加相同长度的情况下，初始长度较长的裸孔压力损失的更快。

3 种裸孔长度的注浆结果对比如图13 所示，裸孔长度与结石体质量存在一定的关联性。裸孔长度从200 mm 增加到250 mm 时，结石体质量增加了0.09 kg，裸孔长度从250 mm 增加到300 mm 时，结石体质量增加了0.03 kg，随裸孔长度的增加，结石体的质量增加速率变缓。由此可知，在仅有裸孔长度为变量的情况下，浆液扩散范围不会随裸孔长度的线性增加而同步线性增加，随着裸孔长度的增加，浆液在裸孔四周的岩体中扩散范围变小，在实际应用中，应选取合适裸孔长度，选择最经济的裸孔长度进行注浆工程。

图13 不同裸孔长度的注浆结果对比Fig.13 Comparison of grouting results with different bare hole lengths

4.3.4 浆液扩散对比

将物理试验所用数据代入Maag 球形扩散公式[30]，结果见表3。

表3 试验结果与理论计算结果Table 3 Test results and theoretical calculation results

由表3 可知，试验中注浆孔口处的浆液扩散半径小于理论计算数值，且裸孔长度增加时，试验结果与理论计算结果的差值随之增加。当注浆裸孔长度为200 mm 时，两者差0.1 cm，试验数值为理论计算数值的97.2%。当注浆裸孔长度为250 mm 时，两者差0.6 cm，试验数值为理论计算数值的83.3%。当注浆裸孔长度为300 mm 时，两者差0.7 cm，试验数值为理论计算数值的80.5%。分析其原因为Maag 公式未考虑注浆裸孔带来的压力损失，随着注浆裸孔长度的增加，压力损失增多，相同条件下，浆液扩散距离变小。当注浆裸孔较短时，浆液扩散半径的试验值与理论计算值相差仅为2.8%，试验结果符合经典Maag 球形扩散理论规律，验证了试验系统的科学性。