动水条件下水泥浆液初始沉积运移规律研究_苏培莉.pdf

：收稿日期：基金项目：中国博士后科学基金面上资助项目（）；西安市岩土与地下工程重点实验室资助项目（）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（）作者简介：苏培莉（），女，山西朔州人，博士后，副教授，主要从事岩土加固理论与技术方面的教学与科研工作，：。引用格式：苏培莉，李 冲，贾毅飞，等 动水条件下水泥浆液初始沉积运移规律研究 煤炭工程，（）：动水条件下水泥浆液初始沉积运移规律研究苏培莉，李 冲，贾毅飞，刘 锋（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安；苏交科集团股份有限公司，江苏 南京）摘 要：为了研究突水巷道注浆后浆液颗粒的初始沉积位置及堆积形态，基于水泥离散颗粒与动水之间的耦合作用建立了浆液沉积运移理论模型；采用室内模型试验分析了浆液在管路中的初始扩散运移形态，探讨了浆液初始沉积位置与动水流速、水灰比和管路内径之间的联系。研究结果表明：浆液初始沉积位置与动水流速、水灰比及管路内径均呈正相关关系；动水流速对浆液初始沉积位置的影响大于水灰比和管路内径，且试验结果与理论模型计算结果相吻合。研究成果可为实际动水注浆施工中注浆行为开始时机的准确把握提供参考。关键词：动水注浆；浆液扩散；突水巷道；浆液沉积运移 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；近年来，我国地下工程建设取得辉煌成就，同时也面临着巨大的挑战，其中因突涌水灾害引起的事故排在地下工程灾害前列，因此各类工程，尤其是巷道工程建设和生产过程中突涌水的防治已成为亟待解决的问题。工程实践证明，注浆技术已成为治理地下工程水害问题的有效施工措施之一。针对巷道突涌水注浆，浆液的运移往往会受到严重的水流冲刷导致无法有效沉积，现场通常采用先行灌注骨料、再行注浆的方式降低水流流速，因此系统研究浆液颗粒的初始沉积运移规律，准确把握浆液沉积位置和水流速度的关系是合理确定灌注骨料结束、注 浆 行 为 开 始 的 关 键。湛 恺 渝、隋 旺 华等通过裂隙动水注浆模型试验，探讨了动水流速、浆液胶凝时间等因素对注浆堵水效果的影响，第卷第期 煤 炭 工 程 ，并建立起渗流压力场与注浆工艺和封堵效果的关系。李海燕等通过理论分析及室内试验研究了大流量的岩溶管路涌水注浆封堵及控流降速机理，提出并应用了大流量岩溶管路涌水的成套治理方法。，通过试验研究了水泥浆液的粘度时变性变化规律。刘人太等，基于数值模拟软件及现场试验研究了动水条件下水泥水玻璃及高聚物改性浆液的裂隙扩散规律，对速凝浆液在动水注浆过程中的扩散规律进行试验。李术才、张霄、张庆松等基于自主设计可视化大比例裂隙动水注浆试验模拟系统，针对裂隙岩体突涌水问题进行研究，明确了平面裂隙动水注浆浆液分层分区扩散机制及堵水机理，得到了浆液的 型扩散及沉积留核扩散规律。刘波、黄君彦等，采用 软件对水泥膏浆抗冲刷性能进行数值模拟，基于宾汉模型，控制灌浆速度及水流速度，研究新型水泥膏浆的抗冲刷能力。谷拴成、李金华等，自主设计了流体力学综合试验平台，并进行煤岩体裂隙动水注浆模型试验，建立起注浆效果与沉积压力曲线之间的关系；周凯军等通过离散元软件对软岩巷道破碎岩体注浆进行数值模拟，分析了不同注浆压力和水灰比下的浆液扩散特征及注浆压力在巷道围岩中的变化规律。综上，针对动水注浆，众多学者在理论、材料、试验方法等方面展开深入研究，大大推动了动水注浆理论和技术的发展，但对于巷道突涌水注浆浆液颗粒的初始扩散运移状态规律研究较少，而浆液初始沉积位置和水流速度的关系是准确把握注浆时机、实现突涌水巷道成功封堵的关键。因此本文在总结前人研究成果的基础上，采用泥沙动力学理论深入研究了动水条件下浆液的初始沉积运移规律，通过自行研发的突水通道注浆封堵试验平台，重点剖析了不同工况下水泥浆液的初始沉积位置，得出浆液的运移沉积规律，以期为今后类似注浆工程的设计提供参考依据。浆液沉积运移理论模型传统的浆液扩散理论重点关注水流流速相对较低的状态，在此状态下可将水泥浆液假设为不可压缩的均质流体；当动水流速较大时，水泥浆液在动水冲刷作用下无法以连续状态沉积至通道底部，此时水泥均质流体的假设不再成立，“浆水二相流”问题转化为过水通道内离散的水泥颗粒与动水之间的相互耦合问题。动水注浆过程更接近于浆体输送，笔者拟探讨此状态下的浆液沉积运移规律，确定浆液的初始沉积位置。为分析水泥浆液沉积运移模型，假设如下：浆液粘度不变；突涌水状态下浆液假设为离散颗粒形态；考虑水泥颗粒为球体且以平均粒径进行计算；水流在过水通道内流动为紊流，雷诺数。单一水泥颗粒沉积运移模型考虑单一水泥颗粒运移的情况在实际工程中不现实，但对单颗粒运动过程中的受力分析较为容易，可为颗粒群受力分析与运动特性研究提供帮助。以重力方向为 向，水流流动方向为 向，结合牛顿第二定律，可以建立单一颗粒的运动方程式：（）式中，为颗粒的质量，；为颗粒的运动速度，；为颗粒运动时间，；为颗粒受到的作用力，。依据前人对各个力在颗粒运动中影响作用的大小，忽略作用于颗粒较小的力后，单一颗粒的受力如图 所示。图 单一颗粒受力颗粒沿 轴方向上的轨迹方程：（）（）根据一阶线性微分方程通解公式：（）（）（）（）可得：（）（）（）代入边界条件（）（）（）由 得：研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期（）（）（）积分得：（）（）（）带入边界条件 得：（）（）（）（）同理，方向合力为：（）（）（）（）积分得：（）代入边界条件 得：（）由于 ：（）积分得：（）代入边界条件 得：（）（）故单一颗粒在流体中运移模型为：（）（）（）（）（）式中，、分别为颗粒在、方向上的速度；、分别为水在、向的流动速度；为颗粒粒径；、分别为颗粒和水的密度；为水的动力粘滞系数；为阻力修正系数。水泥颗粒团沉积运移模型成团聚集的粘性颗粒的沉降速度要比水体中单一颗粒的沉降速度更大，因此，引入特征粒径和附加粒径，使单颗粒运移公式能同样适用于颗粒团运移。（）（）式中，为颗粒团特征粒径；（）为附加粒径；为颗粒算术平均粒径。粘性颗粒团的附加粒径公式（），其中，为附加粒径与平均粒径的正比关系；为附加粒径与含颗粒个数所呈指数关系的指数；为单位体积中泥沙颗粒的个数。通过对其系数进行修正得：（）（）（）（）将其代入单一颗粒运移模型得到水泥颗粒团沉积运移模型：（）（）（）（）（）管路内径 代入式（）中求得浆液沉积至管路底部所需时间，其他参数均可通过文献或测量获得，代入求得浆液注入后的初始沉积距离。浆液初始沉积位置试验研究通过理论研究，建立了水泥浆液运移模型，但在实际工程中，地质环境条件往往极度复杂且隐蔽，浆液的扩散状态难以预见，笔者采用自主研发的可视化突水通道注浆模拟试验系统对不同工况下的浆液初始沉积位置规律进行补充，并验证理论模型的合理性。试验设备试验采用自主设计搭建的可视化突水通道注浆模拟试验系统，该系统包括突涌水通道模拟系统、注浆控制系统、水源模拟系统、数据采集系统和试验监控系统五部分，如图 所示。单根管路之间使用法兰连接，在距管路入水口 处设有注浆口，与注浆控制系统连接。管路入水口与突涌水水源系统 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 连接，出水口与浆液回收装置连接，形成完整的突水通道注浆模拟系统。在距管路入水口 处装有电磁流量计观察管路内流速变化，入水口下游 、处分别布置压力传感器来采集和记录试验过程中管路的压力变化。入水口；注浆口；无纸记录仪；管路支座；压力传感器；电磁流量计；出水口图 突水通道注浆模拟试验系统实物 试验设计试验原料为秦岭水泥厂生产的普通硅酸盐水泥（）。本次试验在 、两种管路进行，选取动水流速、水灰比及管路内径三个影响因素的不同试验水平，见表。根据相似理论及室内试验条件，设定注浆压力 ，动水流速选取 、，水灰比采用注浆工程中常用的 、三种，具体试验方案见表。表 试验因素与水平试验水平管路内径 动水流速（）水灰比（）（）（）（）（）（）（）（）表 浆液初始沉积位置试验方案试验编号代码试验编号代码 试验结果及分析浆液初始沉积位置是浆液在注浆压力和动水共同作用下，运移至过水通道底部时距注浆口左端的水平距离，一般也认为是有效注浆的起始位置。初始沉积位置越接近注浆口，代表浆液在此工况下易沉积，封堵效果越好。浆液沉积运移形态分析试验中调节恒压水泵阀门控制动水流速，待电磁流量计达到试验设计的流速值且稳定后，通过注浆泵向管路内泵送浆液。浆液进入管路后的运移形态如图 所示。图 浆液扩散沉积形态变化随着注浆行为开始，水泥浆液由注浆口向下沉积至管路底部，受注浆压力的影响，水泥颗粒对动水冲刷形成有效抵抗，部分浆液向上游扩散，浆液向上游扩散的距离始终比下游扩散距离小，部分颗粒随水流流走。注浆结束后，注浆压力消失，水泥颗粒在动水作用下不断向下游滑移，最终堆积形成坡形冲刷面。动水流速对浆液初始沉积位置的影响动水流速 、下，不同水灰比、不同管路内径浆液的初始沉积位置试验结果如图、图 所示。图 不同水灰比浆液初始沉积位置图 不同管路内径浆液初始沉积位置研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期由图 可知，随着动水流速的增加，水流紊动作用加强，浆液较难沉积，浆液的初始沉积位置不断向 下 游 移 动。当 浆 液 水 灰 比 为，流 速 为 、时浆液的初始沉积位置分别为 、，动水流速和浆液初始沉积位置呈正相关关系。动水流速较小时，不同水灰比下浆液初始沉积位置相差较小，动水流速为 时，三种水灰比下浆液初始沉积位置的差值分别为、；流速增大至 时，差值增加为、；流速进一步增大到 ，浆液初始沉积位置差值为 、。低流速下，水流对浆液的冲刷作用较弱，影响浆液初始沉积位置的主要因素为水灰比；随着动水流速的增加，水分子之间的脉动作用增强，水灰比对浆液初始沉积位置的影响减弱，主要影响因素由水灰比变为动水流速。由图 可 知，管 路 内 径 为 ，流 速 为 、时浆液的初始沉积位置分别为 、；管路内径为 时，浆液的初始沉积位置分别为 、。管路较 管路在不同动水流速下的浆液初始沉积位置分别增加了 、，由此得出动水流速与不同管路内径下浆液初始沉积位置呈正相关关系，且随着流速的进一步增加，浆液初始沉积位置增大幅度越明显，管路内径对浆液沉积位置的影响变小。综上所述，动水流速为影响浆液初始沉积位置的关键因素。水灰比对浆液初始沉积位置的影响试验编号为、的试验结果如图 所示，由图 可知，水灰比为 、的水泥浆 液 所 对 应 的 初 始 沉 积 位 置 分 别 为 、。其中，试验编号为 的水泥浆液水灰比偏小，导致其黏度大，有较优的抵抗动水冲刷能力，注入的浆液在动水中能维持较为稳定的扩散形态，可取得良好的堵水效果，但其可泵性较差。水灰比为 的浆液，流动性优于 的浆液，具有良好的可泵性，且不易被动水冲散，是较为理想的浆液配比。水灰比为 的浆液，颗粒成团效果不理想，对动水抵抗作用较弱，浆液初始沉积距离远，堵水效果差。综上所述，在满足可泵性前提下，尽量选择水灰比小的水泥浆液。管路内径对浆液初始沉积位置的影响图 不同水灰比下浆液初始沉积位置变化试验编号为 的试验结果与试验编号为 的试验结果对应的浆液初始沉积位置差值分别为、，动水流速和水灰比一致，不同管路内径浆液初始沉积位置差值最大为 ，管路内径对浆液的初始沉积位置影响显著。分析其原因，管路内径增大，浆液注入后与动水接触面较大，颗粒受动水扰动作用增强，浆液与管壁间摩擦力小，沉积凝结所需的时间增加，导致浆液易被动水冲刷走，浆液初始沉积位置增大。综上所述，动水注浆时，过水通道越小封堵效果越好。图 理论模型与试验结果对比 理论模型与试验结果对比分析编号为 的试验参数代入理论模型计算，将计算结果与试验结果对比，如图 所示。理论值与试验值在整体变化趋势上基本一致，动水流速在 时，不同水灰比水泥浆液的初始沉积位置试验值分别为 、，理论值分别为 、；动水流速在 时，不同水灰比水泥浆液的初始沉积位置试验值分别为、，理论值分别为 、；动水流速在 时，不同水灰比水泥浆液的初始沉积位置试验值分别为、，理论值分别为 、，误差在 左右。理论结果普遍大于试验结果，且水灰比越小时理论值与试验值更接近。理论值与试验值存在偏差原因分析：理论模型 年第 期 煤 炭 工 程 研