（采矿工程专业论文）井下帷幕注浆堵水理论及工程应用研究.pdf

摘要 摘要 由于注浆浆液在裂隙中的运动过程极为复杂，使得岩体注浆在很大程度上是一 种非可控注浆，人们只能间接判断注浆固结体的形状和尺寸，却几乎不能精确预 测。这使注浆实践存在很大的盲目性，注浆的效果和效益在很大程度上依赖于技术 人员对注浆工艺的把握。在帷幕注浆设计中，浆液扩散半径通常通过现场注浆试验 来确定或者通过理论公式来计算，设计的关键是如何合理地确定注浆孔孔距、孔 数，既满足防渗要求，并且具有良好的经济效益。 本文对现有的注浆理论进行了分析，利用考虑浆液流变性建立的牛顿流体在水 平单裂隙扩散径向模型，根据已知的地质参数、浆液性能和施工工艺参数，在工程 实践中，可对注浆扩散半径进行预测，有利于正确指导注浆施工，提高注浆效率和 效果，减少盲目性。 针对井下帷幕注浆堵水的处理技术，进行了注浆材料性质的试验研究。通过对 粉煤灰水玻璃水泥浆液试验，得到了浆液比重、凝结时间、流动度、粘度、结石 率、抗压强度的变化规律，确定了适合井下帷幕注浆堵水的最佳配比。利用廉价的 粉煤灰充当注浆材料，节省了注浆费用。 在浆液扩散模型和粉煤灰材料的研究基础上，提出了井筒预注浆和工作面预注 浆的工艺流程，优化注浆参数的选取，使经济指标与环境双赢，并系统总结了古冶 昌麟矾土矿采用帷幕注浆技术治理井筒突水的工艺流程和工程经验，通过对进水区 实施注浆工程，从而阻断水的涌入，既解放了受水威胁的井筒又保证了矿井的掘 砌，同时也保护了矿井周围水资源，取得了很好的社会和经济效益。 图1 5 表1 2 参6 3 关键词：矿井突水；帷幕注浆：注浆扩散理论；粉煤灰：注浆工艺 分类号：1 d 2 6 5 8 河北理t 大学硕士学位论文 a l b s t r a c t b e c a u s et h c 乎伽t j n g1 j q l l i dj sc x t r c l n e l y 咖p j e xi nc r “髂s er a t ep m c e s s ，c a u s e st h e c m gb o d y 粤d u t i l l gi nt t l ev c r yg r c a td e 伊e ci so n eh n do fn o n 稍n t r o l i a b l eg r o u t i i l 舀t l i e p c o p i e0 n l yc 弛i n d 讯蛾i yj u d g ct h eg m u 血gt os o l i d i 印t h cb o d yt l l es h a p ea i l dt h es i z e ， n e a i l yc a n tp r e c i s e l yf o r c c 弱ta c t l l a l l y t h i sc a 惦e st h eg r o u t i n gp r a c t i c ec x i s t e n c ev c f y b i gb l i n d n e s s ，p o u r st i l et h i c kt h ee 疵d 柚dt l l eb c n e f i tf e l i c s i nt h cv e r y 雕a td e g r c e t t l et e c h n i c a lp e r s o n n e lt ot h c 掣o u t i n gc m f t 髂s u m c c i l lt h ec u n a i g u t i n gd 锚i g n ，国c s j z er a d i u so fe x t c mu s 啦l l yc x p c r i m e m st h i _ 0 u g ht h cs c e n c 粤d u t i n gd e t e m i n e d0 r c a l c u l a t e s t l l r o u g ht h e t h c o f c t i c a lf o 加u l a ，h o wd o 鹪t h ed e s i g n | 【e yi sr e a n a b i y d e t e 曲i n c 血eg r o u t i n gh o l ep i t c ho fh o l e s ，t h eh o l en n b e r ，a l s o 洲s m m yg u a f d sa g a i l l s t i i d j h m t e st h er e q u e s t ，a l l dh 醛m e9 0 0 de c o n o m i ce f f i c i e n c y n i sd i s s c n a t i h a sc a r r i e do nt h e 蛆a l y s i st ot h ce x i s 血g 伊0 u t i n gt h e o r y ，h 弱 e s t a b l i s h e dt i l cc o n s i d c r a t i 帆s i z er h l o 舀c a lp r o p e r t y l e s sn c w t o n i a nf l u i di nl h el e v c l s i g l ec r c v a s s cp r o l i f 色r a t i o nr a d i a ld i r c c t j o nm o d e l h lt h cp m j e c tp r a c t j 优，u s e sm ck w _ n g l o 沓c a lp 猢e t e r ，t h es i z ep e 由m 卸c c 锄dt h ec o n s t m c t i o nc r a f tp 跚吼e t c r ，c a r r i e s t h ef b r c c a s tt ot h eg r o u t i n gr a d i u so fe x t e n t ，i sa d v a n t a g c o u si nt h ec o r f e c ti i l s t n l c t i 伽 g r o u t i n gc o n s t n l c t i o n ，e n h a n c e st t l eg m u t i n ge f f i c i e n c y 柚dt h ee f f e c t ，r e d u c e sb l i n d n e s s p r o c e s s i i i gt e c h n o l o g ys h u t so f ft t l ew a t e rw h i c hi nv i e wo ft h em i n es h a f tc u n a i n 毋d u 咖gl i q u i d ，h 嬲c o n d u c l c dt h e 掣o u 矗n gm a t 谢a ln a t u f ee x p 廊e n t a ls t u d y t h m u g hl o t l i e p u l v 耐z c dc o a i a s hs o 曲蛐s i l i c a t ec c m e ms i z ec x p 洳c n t ，o b t a i n e dt h es i z e p r o p o n i o n ，t h es e tt i m e ，n a w c d ，t l l ev i s c o s i t y ，t h es t o n er a t e ，t h ec o m p r c s s i v es t r e n g t h c h 蛐g em i e ，h a dd e t e 加：l i e ds u “sb e s ta l l o c a t c dp r o p o n i o nw h i c ht l i em i n es h a f tc u r t a i l l g r 0 哪t i i l gs h u to f ft h ew a t 盯u s e st h ei n e x p e n s i v ep u l v e r i z e dc o a l 弱ht oa c ta st h e 留0 u t i n g m a e a l ，h a ss a v e dt l i cg r o u t j 丑ge x p e n s e hm es i z ep r o l i f c r a t i o nm o d e la i l di nt h ep u l v c i i z e dc o a la s hm a t e r i a lr e s e a r c h f o i l n d a t i o ，p r o p o s e dt h ew e hc h a m b e rp f e g r o u t i n g 柚dt t i ew o f l 【i n gs 嘶c ep r e - 孕o u t i n g t c c h i l i c a l p r o c e s s ，t h c 叩t i m i z e dg m u t i l l gp a r a m e t e rs e l e c t i o n ，c a u s e s t h ee c o n o m i c i n d i c a t o ra n dt h ee n v i r o 姗e n td o u b l ew i l l s ，a i l dt t l es y s t e ms u m m a r i z e da n c i e ms m e l t e d t h ep r o s p e r o u s1 a f g em a l ed e c rb a u x i t et ou s et h ec u n a j n 掣d u t i n gt e c h n 0 1 0 9 yg o v c m m e n t w e uc h 咖b c rs u d d e n l yw a t e r i h et e c h i l i c a lp r o c e s sa n dt h ep r o j e c te x p e r i e n c e ，t l i r o u 醣t o 摘要 e n t e r e dt h ew a t e fd i s t r i c ti m p l e m e n t a t i o ng r o u t i i l gp r o j e c t ，t h u sa n t i - c u to f ! ft h e 、v a t c r s u p p l yi n n l s h i n g ，b o t hl i b e 粕t e da n dh a db e e ng u a 砌l e e dt i l ew a t e rt h r e a tw e nc h 锄b e rt h c m i n ep i td l l gt h ep e n c t r a t i n 岛a tt h es 锄et i m eh a sa l s op r o t e c t e d 村0 u n dt h em i n ep “t h e w a i e rr c s o u r c e s ，h a s0 b t a i n c dt l l ev e r y9 0 0 ds o c i e t ya l l dt h ee c o n o m i ce m c i c n c y f i g l l m1 5 ；t a b l e1 2 ；r e f c r c n c e6 3 k e y w o r d s ：m i n ep i ts u d d e n l yw a t c r ；c u n a i ng m u t i i l g ；g r o u t i gt l l c o r yo fd i f 扎s i ； p u l v e r i z e dc o a la s h ；c l i r t a i l lg m u t i n gc r a n c ! h i n c s eb o o k sc a t a l o g ：t d 2 6 5 8 一j j l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：垒巡日期：猕上月理日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：z 矿。年严月侈日 引言 引言 世界上采矿业平均每年增加8 ，每1 5 年开采量大约增加1 倍。采矿业的迅速 发展，引起采矿地区工程地质条件复杂化，对矿山开采威胁同益加重【1 】o 我国有些 重要矿床，如铁矿、煤矿、铅锌矿、铜矿和铝土矿等，产于岩石裂隙发育地区或其 附近地段【2 】。采矿实践表明，这类矿床的水文地质条件一般比较复杂，开采活动对 环境的破坏和影响较大。 矿山中由于井筒和巷道本身穿越不同的地质单元体，在矿山掘井、掘进和生产 过程中揭露与含水层连通的断层，从而将不可避免地遇到涌水、岩爆、坍塌及地热 等地质灾害，其中尤以涌水最为普遍和严重。近年矿山每采一吨矿石就要排数十吨 水，排水费用占矿石成本的4 一5 ，已投产的矿山大约有2 0 受地下水的危害。 5 4 的华北铁矿因受水威胁，未被引入基建项目【3 j 。 过去矿山企业没有充分考虑采矿活动对环境的破坏和影响，对地下水危害的处 理手段，不借工本广泛地采用疏干法。随着矿井愈来愈多，矿井规模愈来愈大，采 掘面积和开采深度也日愈增加，对环境的破坏和影响范围及其程度也愈来愈大，愈 来愈严重等消极方面。排水疏干对环境的破坏： 1 形成大面积疏干漏斗。2 地面 破坏，引起地面塌陷。3 破坏地下水资源，水源流失水质恶化。4 增大排水费用 【4 1 a 综上所述，随着我国采矿业的不断发展，矿山防治水技术也在不断地创新。采 用疏干排水的单一方法，已不适应当今世界资源日渐减少而又必须在复杂地质条件 下开发资源的技术要求，寻找一种疏堵结合的综台治理的途径无疑具有十分重要的 意义。近2 0 余年来，除了众所周知的矿床疏于技术已被我国矿山广泛采用外，注浆 帷幕截水技术已在涌水矿山中逐渐推广应用i 引。注浆技术是用液压或气压将能凝固 的浆液按设计的浓度通过特设的注浆钻孔，压送到规定的岩土层中，填补岩土体中 的裂缝或孑l 隙，旨在改善注浆对象的物理力学性质，以满足各类工程的需要。按其 功能不同可分为防渗注浆和加固注浆，防渗注浆是为增强各种基础抗渗能力而被广 泛采用的一种方法，它是在具有合理孔距的钻孔中，注入浆液，使各孔中注浆体相 互搭接以形成一道类似帷幕的混凝土防渗墙，以此截断水流，从而达到防渗堵漏的 目的。因此，工程上称其为帷幕注浆。 在水文地质条件有利( 过水通道范围不大，有较可靠的隔水边界) 的情况下， 通过打钻注浆，在过水断面上建立地下截水帷幕，是防止和减少地面塌陷的治本之 河北理工大学硕士学位论文 道。现在已有较多矿山采用帷幕注浆技术治理矿区地下水，而且较好地保护了矿区 的环境。针对地下矿山涌水，帷幕注浆技术不仅能有效地减少矿床涌水量，还能保 持矿区环境，既有利于矿山经营，又有益于环境，而且往往在建成后短时间内就可 从受益中偿还投资。 2 1 绪论 1 1 注浆技术的历史和发展现状 1 1 1 注浆技术的发展历史 1 绪论 早在1 8 0 2 年，法国的夏尔斯贝林尼用自己设计的冲击泵注入粘土和石灰浆液， 修复被水流侵蚀的挡潮闸的砾石地基工程，被称为注浆施工的开始嘲。1 8 7 6 年，美 国的托马斯、霍克斯莱利用浆液自然下流方式向滕斯托尔水坝的岩石基础注入硅酸 盐水泥。1 8 8 6 年，英国的克雷阿森德为了向衬砌与地层中的空隙里充填水泥，研制 成功了压缩空气注浆机n1 8 8 0 - 1 9 0 5 年，当时在法北部和秘鲁的煤矿工作的罗伊曼 克斯、波蒂埃尔、萨克雷埃尔、弗兰土等组成矿山技术小组，在涌水量大的立井施 工中，进行硅酸盐水泥的注浆试验，研制出高压注浆泵，并且对注浆材料的配方和 注浆施工等有关问题作了改进f 8 】。这些发明和改进构成现代岩层注浆技术的基础。 化学注浆最早是在1 9 2 0 年，由德国的尤斯登( j 0 0 s t c n ) 注入水玻璃和氯化钙。 1 9 4 5 年到现在，广泛采用以水玻璃为主要成分的克米泽克持( 丸安隆和博士等研制 的m i 法) ，海德罗克，以及获得国铁技术研究所专利权的( 通口芳朗博士) l w 法 等f9 1 。 1 1 2 国外注浆技术的发展概况 波兰华沙气象水利研究所地下水动力学专题组最近研究了利用合成树脂进行止 水防渗的新工艺，所完成的研究主要包括新的合成材料、注浆工艺和浆液在地层中 的扩散理论。第一阶段首先完善了m s 1 0 脲醛树脂和a f - 3 甲醛丙酮的生产工艺。 然后进行了这两种浆液的室内和野外注浆试验，以检验其实际应用条件i 加j 。此外， 还进行了一系列控制注浆试验，以便通过有控制的注浆，固结成所要求的空间形 态。 利用数值模拟技术动态指导帷幕旆工。可在帷幕上下游布置一定数量水位观测 孑l ，通过地下水数学模型，及时掌握帷幕线上主要渗水段的变化，从而达到动态指 导后续注浆旌工的目的，以保证帷幕总体堵水效果。同时为防止地下水对注浆结石 体的侵蚀及水位抬高后对充填的潜蚀作用，采用抗侵蚀的注浆材料并对充填物进行 高压注浆加固i n l 。注浆过程的智能化：将流量、压力等检测仪表、电动调节阀、微 3 河北理= 大学硕十学位论文 机、打印机及电控柜等集中安装于中央控制室内，采用模块化结构的系统软件，即 可初步实现注浆过程智能化1 1 2 1 。 日本研究的重点为可注性好、固结强度大、凝结时间易于控制、价格便宜和使 用方便的注浆材料，而且改革注浆工艺，从原始的钻杆注浆法逐步改进并采用了过 滤管法、套管法、电渗法、井点法以及喷射法等注浆施工方法【1 3 1 。 1 1 3 我国注浆技术的发展概况 5 0 年代初，我国开始了注浆技术的应用。在煤炭、水电、铁路等行业中，利用 注浆法治理水害。应用初期，由于理论不够完善，技术比较落后，注浆效果不够理 想。6 0 年代以后，煤炭行业的注浆技术得到快速发展。注浆材料由单液水泥浆发展 到c s 双浆，即水泥水玻璃浆液、m g 6 4 6 、聚氨酯( 包括水溶性聚氨酯) 及其他许 多种化学浆液【州。近年来又开发了以粘土为主剂的c l 厂c 型粘土水泥浆，降低了注 浆成本，为注浆技术的进一步普及应用闯出了一条新路子i 捌。 注浆技术在国内矿山工程中得到了广泛应用。1 9 6 0 年在山东济宁l 号井用水玻 璃、铝酸钠首次处理3 0 6 蛐的井壁淋水；1 9 6 3 年4 月，凡口铅锌矿金星领矿井首次 采用预注法凿井，顺利通过了卡斯特地层；从1 9 6 4 年开始，在湖南水口山矿山进行 防水帷幕的注浆施工，前后共耗用水泥2 3 1 2 9 6 t 1 1 6 1 。 注浆材料的发展，促进了注浆设备和机具的研制，相继出现了一系列高性能专 用注浆泵，高精度的陀螺定向测斜仪，高效的冻注钻机，k w s 型止浆塞等【1 7 l 。北京 建井研究所研究开发的许多注浆新工艺、新材料，在其技术水平、施工效果等方 面，不少已达到国际先进水平。流量测井技术的开发为井筒涌水量的预测、注浆效 果的检查，提供了准确可靠的技术手段。在软弱地层加固方面研究出单管、双管和 三重管高压喷射注浆法1 1 “。在加固土体和浆液流向方面，旋喷、定喷、定摆喷技术 不仅在矿山建设中得到应用，还在土建、坝基及交通工程中发挥了重要作用【l 。 注浆技术在全国范围内得到很大的发展和推广应用。许多矿务局、矿山都建立 起了专业注浆队伍，治理矿山各种水害或加固不良岩体，用于预注浆凿井，井壁或 壁后注浆，井巷及硐室的涌水封堵，软岩或软土的封水加固，特大透水或淹井事故 的治理【枷。 1 绪论 1 2 发展趋势 近年来，注浆技术作为一种矿山防治水工程，由于其仅有3 0 年的发展历程因而 仍存在许多不完善之处。展望未来，注浆技术在许多方面还有待研究和大力改进， 我国矿山防治水工作者今后将致力于以下四方面工作： 1 在注浆材料方面的研究，首先要开发廉价、可注性好的材料，其次要研究浆 液在裂隙很小的岩层中的渗透性和制定注浆标准。 2 注浆理论方面，矿山注浆在很大程度上是非可控注浆，注浆后固结体的尺寸 和形状几乎不可能精确预测，难以建立统一的理论来确定注浆参数。国内外注浆工 程注浆参数的确定仍以经验为主。随着注浆技术应用领域的扩展，必须有科学的理 论指导，重点在于优化注浆参数【2 l l 。 3 发展多种注浆工艺交替作业的施工技术。对于复杂多变的注浆地层，应采用 合理的注浆工艺，随着地层条件的变化，注浆工艺和注浆材料要作相应调整。在同 一注浆施工过程中，随时调节注浆参数以便适应不同条件下地层注浆的需要。 4 注浆施工工艺设备的标准化，实现注浆设备轻小型化、机组化、系列化和自 动化。在注浆设备现代化方面，注浆设备的发展方面是实现注浆设备的轻小型化、 机组化、系列化、专用化和自动化。集钻、注设备为一体，生产轻小型注浆机组设 备，集中控制，自动记录圈。目前，国外在这方面发展较快，我国则刚刚起步。 5 矿床疏干与注浆帷幕截水最佳结合方案的理论与实践。 1 3 研究内容和方法 本文在总结前人研究及实际工程应用的基础上，理论联系实际对帷幕注浆堵水 理论、注浆材料、施工工艺、工程实例进行系统的研究。具体研究内容包括： 1 在前人的基础上，对影响注浆扩散和注浆耐久性的浆液基本性能( 可灌性、 析水稳定性、耐久性、塑性强度等) 、注浆作用原理及基于粘度时变性的注浆扩散 模型进一步深入研究。根据牛顿流体的本构关系及前人总结其在多孔岩体介质中的 渗流定律，可得出注浆量、注浆压力、注浆时间和注浆扩散半径的关系式。 2 通过实验，证明粉煤灰水玻璃水泥浆液的各项指标满足注浆堵水的要求，并 确定了的最佳配比。在工程中，注浆材料中掺入大量的粉煤狄，可大大减少注浆费 用。 5 河北理：【：大学硕十学位论文 3 主要针对施工前利用现代技术手段勘测地下水分布状态，合理选择帷幕位 置，优化帷幕注浆中关键参数，以便达到注浆效果的同时，经济效果达到最佳。 4 地下矿山帷幕注浆施工工艺流程的研究。 6 2 水平单裂隙注浆扩散模型 2 1 概述 2 水平单裂隙注浆扩散模型 注浆理论是借助于流体力学而发展起来，主要对浆液在地层中的流动形式进行 分析，建立注浆压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系，用以注浆工程的设 计和施工。注浆理论目前的注浆理论主要有：渗透注浆理论、压密注浆理论、劈裂 注浆理论及裂隙岩体的注浆理论i 矧。 随着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。1 9 3 8 年马格( h 龃曲发 表了在颗粒材料中注浆的简化理论。该理论假设浆液在均匀、各向同性介质中流动 时，按球形扩散流动，从而把注浆压力、流量、扩散半径、浆液的粘度、地层的孔 隙性及渗透性等因素联系起来。随后出现了柱状渗透理论，注浆工艺也在不断的革 新【州。除简便的钻杆和过滤管注浆法外，大多是同时注入两种浆液，根据两种浆液 的混合方式研制出不同的注浆方法。随着注浆技术的广泛应用和深入研究，逐步形 成渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆和复合注浆等理论和工艺，注浆设备和观测仪器 也在不断地更新换代瞄】。 注浆理论研究浆液在岩土缝隙中的流动规律，揭示地质调节、浆材性质和工艺 技术的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学的依据。 地下浆体力学与地下水力学同属一个科学范畴，但前者相关因素更多，难度更 大，因为许多浆液都属牛顿流体( n e w t o n i a n f l u i d ) 而不是宾汉( b i n g h a 1 ) 流体， 且粘度会随注浆时间的增长而增长，当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆液在一定条 件下会在缝隙中发生颗粒沉淀，从而使浆液的渗流规律改变。 2 2 渗入注浆 渗透注浆是指假定地层结构基本上不扰动和破坏，在压力的作用下，克服浆液 流动的各种阻力，排挤出缝隙中的水和气体，渗入地层的缝隙中【2 6 l 。 2 2 1 球形扩散 1 9 3 8 年马格( m 蹰g ) 首先推导出浆液在砂层中的渗透公式，它至今仍被广泛采 用。在推导公式时，马格作了下述一些简化计算模式的假定【2 7 j ： ( 1 ) 被灌砂土为均质的和各向同性的； 河北理j ：大学硕十学位论文 ( 2 ) 浆液为牛顿流体； ( 3 ) 采用填压法灌浆，浆液从灌浆管底端注入地层； ( 4 ) 浆液在地层中呈球状扩散。 f ；盟 3 勋l r 0 一孵 式中： j 卜砂土的渗透系数，c 临； 芦一浆液粘度对水的粘度比； 一浆液扩散半径，锄； 鬼注浆压力，m h ，o ； r o 一注浆管半径，c l n ； f 注浆时间，s ； 一砂土的孔隙率。 ( 2 ) 2 2 2 柱形扩散 注浆钻孔的半径为r 0 ，注浆钻孔垂直穿过一厚度x 的地质断层，注浆浆液在断 层中流动1 2 8 】。当牛顿流体作柱形扩散时： ，l 舰2 l n 童 r = 音( 3 ) 式中符号和单位同上式。 2 3 裂隙岩体注浆 裂隙岩体的帷幕注浆，就是将定的浆液注入岩体裂隙内。帷幕注浆的浆材主 要是防渗材料，裂隙岩体内存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理 分布相当复杂，研究浆液在岩体裂隙内流动规律就更复杂。目前，只能利用裂隙岩 一8 匝呜r f 2 水平单裂隙注浆扩散模型 体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动规律【瓢。现有的注浆公 式只限于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动。较为复杂的模型还需做大量的研 究工作。 1 牛顿型浆液的流动 刘嘉材教授推导出的公式【3 0 l 扣等鬻( r 2 一) ( 5 )l p 。一p 。p r _ 式中： j 卜一浆液扩散半径，c m ： 以一注浆孔内的压力，k p a ； 裂隙内地下水压力，k p a ； 卜注浆时间，s ； 6 裂隙宽度，c i i l ； - 注浆孔半径，c 1 1 l ； “一浆液粘度，m p a s o 上式推导未考虑浆液粘度的时变性。 贝克( b a l 【e r ，1 9 7 4 年) 将裂隙简化为平直、光滑、等开度的平行裂隙，并假 设注浆压力水头p 和流量q 恒定不变，推导出了牛顿流体在裂隙内作层流运动时的 关系式【3 1 1 ： 驴驴警n 拿+ 番悟斗仰 式中： 占一重力加速度，m s 2 。 2 宾汉流体浆液扩散公式 1 ) w i 绌e 和w a l l n c r 公式【3 2 】 二维等厚光滑裂隙中，浆液运动压力分布及最终扩散范围如下： p 锄一孕( r 一) ( 8 ) 9 河北理丁= 人学硕士学位论文 r ；娑+ r 0 ( 9 ) 打o ” 式中： p 一浆液压力，k p a ； p 。孔内裂隙面处压力，k p a ； r 0 注浆孔半径，锄； d 一裂隙宽度，锄； 一浆液屈服强度，m p a ： r 一离注浆源距离，c l l l 。 2 )g l o m b a r d i 公式【叫 浆液最大扩散半径：r 一：堂 2 4 基于粘度时变性的注浆扩散模型 2 4 1 基本假设和前提条件 1 裂隙开度不大，浆液流速较小，浆液除了在注浆孔周围局部区域的流态呈紊 流状态外，皆为层流； 2 浆液为不可压缩的均质的各向同性流体； 3 浆液在裂隙中流动时，壁面无滑移条件成立，即浆液在裂隙上下表面的流速 为o ： 4 裂隙壁面不透水，即浆液中的水分不向岩体中渗滤i3 3 】； 5 在注浆过程中浆液流型不变； 6 浆液粘度存在时变性( 浆液粘度随时间逐渐增大) ，其变化关系为指数函 数； 7 浆液为稳定性浆液，即不考虑浆液在流动过程中的沉淀析水； 8 浆液可灌性良好，无堵塞现象发生。注浆扩散模型适用于力学宽度大于 o 1 m m 的裂隙； 9 浆液前锋面在静水压力下不发生稀释现象，即浆液与地下水的交界面是突变 的： 1 0 在浆液的塑性强度达到临界值以前可以重复注浆。 1 0 2 水平单裂隙注浆扩散模型 以上条件和假设中，第1 3 是注浆扩散研究中共同遵循的假设，已为前人所论 述或验证。第4 条假设对大多数岩层适用。第5 1 0 条假设为本模型所作的假设。 浆液基本性能包括浆液流型的确定、浆液粘度的时变性、析水性( 稳定性) 、 可灌性、塑性强度与可重复注浆性。对不同流型的浆液而言，其流变参数不同，而 各流变参数的类型及取值对浆液扩散将产生重要影响。例如，牛顿流体只有牛顿粘 度而无动切力；而宾汉( b i n g h 啦) 塑性流体既存在塑性粘度，又存在动切力；幂律流 体的流变参数则是流性指数和稠度系数【3 4 l 。这些流变参数对浆液扩散的影响是不同 的。粘度、切力的大小对浆液扩散半径也有着重大影响。浆液粘度、切力数值的变 动会引起浆液扩散半径的大幅度变化。 对水泥浆等粒状浆液而言，浆液扩散还涉及到可灌性问题。最小可注裂隙宽 度、浆液前锋面是否被地下水所稀释、裂隙倾角对浆液扩散距离的影响等性能是浆 液可灌性的重要指标。 2 4 2 牛顿流体水平单裂隙径向扩散模型 假定浆液流经的裂隙表面辜h 糙度、表面吸附力等性能相同，则浆液在裂隙中均 匀扩散，垂直于裂隙平面之间无剪应力作用，若不计速度变化影响，则沿单元体中 心径向轴线方向的各分力之和应等于零，见图l 。 设裂缝宽度为b ，注浆孔内的压力为p c ，浆液流型为牛顿流体，其粘度为t 1 ( t ) ， 地下水压为p w 。浆液注入裂隙以后，沿径向均匀扩散。因此，在一段时间内，随着 注浆时间t 的增加，浆液扩散半径r 会不断增大。在流域中任取一个浆液微元体。微 元体上所受的外力为法向应力p 和剪应力t 。 河北理工人学硕士学位论文 一 ，一一 ，代咎 。、卜0 一一，多r ，| 一学莲磅一一 1 f0 一。| “ 一 如篇皿卫 茛爹棼 图1 牛顿流体扩散及浆液微元体受力示意图 f i g 1s p r e a d0 f n e w t o n i a i l 铲o u t 卸ds c h e 啦n cd i a g r a mo f f o r c e sa p p l i e do nag r o u t u 血 矿a 赴一( p + 軎廿) ( r + 廿) a 让+ ( p + 警等) 曲& + ( 警- & ) 堂掣一。 ( 1 0 ) 整理上式并忽略其中的高阶微量，得： 幻d f 卉出 带入牛顿流体的流交方程f ；印o ) 譬l ，并积分得 韶 叩o ) 竺。譬如+ c 。) c zd r 将初始条件譬i 。，o 代入上式，得c l = o 。故有 北 批i 考降c 2 ) 口rlzj 1 2 2 水平单裂隙注浆扩散模型 将初始条件“i 。- o ( 裂隙壁面无滑移条件，或称粘附条件) 代入上式，得 i 一 c 生。因此 8 “一击c 萼一争争 ，7 0 ) 、2 8 7 d ， 、 浆液平均流速i 满足方程 五- 昙j 量础 代入，得 云一埏嘉c 手一争雾耋，雾n 浆液流量口为 口而伽一蔫考 积分得 p 警m + c肋 代入初始条件p i - p 。( p 。孔内注浆缝处注浆压力) ，得 c 咄一等- n 考 从中得出： 目，型必( 1 3 )q1 2 。l 印 铆o ) l n 二_ 由于在单位时间段内注入裂隙的浆液量应等于该时段内增大注浆扩散半径，所 需浆液量，故有 羹q d t t 莨h 鼢 1 3 河北理工人学硕士学位论文 f 妥。旦一f r l n 二办 j o 丽瓦i 而上n i 办 将浆液时变性公式彳( ，) - 叩( 0 归“代入上式，积分得： 一种一焉旷t n 毒一争，1 q 七 l 62 ( p 。一p ) 、 2 7 j r 当注浆结束时，t - t ，注浆扩散半径r = r ，p = p w ( p w _ 岩层静水压力) f 捌，则 埘一老n 詈一毕卜， 尼l 6 2 ( p 。一p 。) 、r c 2 7 i ”。 上面推导过程与刘嘉材公式的区别在于：刘嘉材公式针对的是b i 咄a m 流体， 但没有考虑b i n g l l a m 流体流核的影响，上面公式针对的是牛顿流体，不需要考虑流 核；刘嘉材在推导公式时，将鼋的表达式用g ；垄玉丝 堕代入积分式 6 打l 二二 r c 撇一c2 万6 办中进行计算，而实际上，g 的数值是随r 而变化的，用最大扩散半 j uj 径r 代替任意扩散半径r 而得到的口式并不具有一般性，因而用在积分中是不恰当 的：其变化规律为：叩o ) t 叩( o 弦“。 通过上述模型，在工程实践中，利用已知的地质参数、浆液性能和施工工艺参 数，对注浆扩散半径进行预测，有利于正确指导注浆施工，提高注浆效率和效果。 1 4 3 注浆材料及性能研究 3 注浆材料及浆液性能研究 3 1 概述 注浆材料是注浆工程中重要的组成部分，在注浆施工中，能否正确合理地选择 注浆材料将直接影响注浆工程的成败与技术经济指标。它包括主剂、溶剂( 水或其 他有机溶剂) 及各种外添加剂，按一定比例配制而成的注浆用的浆液。 注浆材料的研究主要是探索新的品种，熟悉并掌握其性能，以便更好地为生产 建设服务，解决地下水害的问题。事实也正是如此，一种具有优良性能的新的注浆 材料的出现，或者可以显著地提高注浆效果；或者能够扩大注浆法的应用范围。因 此，不断地研究新的注浆材料，对于解决各种不同的水文地质条件产的堵水加固问 题，推动注浆技术的发展都有着重要意义【蚓。 3 1 1 注浆材料的分类 注浆材料常分为粒状浆材和化学浆材两个系统，其后再按材料的主要特点细分 为不稳定粒状浆材、稳定粒状浆材、无机化学浆材和有机化学浆材等四类。 1 水泥浆材 水泥浆材以水泥为主的浆液，在地下水无侵蚀性条件下，一般都采用普通硅酸 盐水泥。它是一种悬浮液，能形成强度较高和渗透性较小的结石体。在细裂隙和微 孔地层中虽可灌性不如化学浆材好，但不少弱透水地层中都可用水泥浆进行有效的 堵水和加固。 水泥浆的水灰比，一般变化范围为0 6 2 o ，常用的水灰比是1 ：1 。为了调节水 泥浆的性能，有时可以加入速凝剂和缓凝剂等附加剂。常用的速凝剂有水玻璃和氯 化钙，其用量为水泥重量的1 2 ，常用的缓凝剂有木质素磺酸钙和酒石酸，其 用量约为水泥重量的0 2 加5 【卅。 2 水泥水玻璃浆材 水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，一般约占 水泥重量的3 o ；另一是作为主材料使用，掺量较多，要根据注浆目的和要求 而定【3 8 】。 水玻璃是硅酸钠的水溶液，其中存在如下的水解反应： n a 2 0 s i 0 2 + h 2 0 2 n a o h + n s i 0 2 ( 1 6 ) 1 5 河北理t 大学硕士学位论文 水泥水玻璃浆液中存在如下的反应： 3 c a o s i 0 2 + n h 2 0 一2 c a o s i 0 2 ( n - 1 ) h 2 0 + c a ( o 哪2 + s i 0 2 ( 1 7 ) c a ( 0 h ) 2 + n a 0 n s i 0 2 + m h 2 0 c a o s i 0 2 m h 2 0 + 2 n a 0 h i 川j ( 1 8 ) 结合各矿山现有的工程实践经验，水泥水玻璃浆材的配方大体为：水泥浆的水 次重量比为o 8 ：l ，1 ：1 ，体积比为1 ：o 6 1 ：0 8 ，水玻璃的模数值为2 4 2 8 ，浓 度为( 3 0 4 5 ) 。b e7 。这些配方凝结时问为1 2 m i n ，抗压强度变化在9 2 4 m p a 。 3 粘土水泥浆材 粘土水泥浆材是一种新型、廉价的注浆材料，以粘土为主剂，水泥为结构生成 剂，水玻璃作添加剂，应用于井筒和巷道堵水施工中，大幅度降低了注浆成本，显 著地提高了注浆效果【帅】。 粘土水泥浆液的配料为粘土、水泥和水玻璃，粘土是浆液的主要成分，具有一 定的塑性指数。研究表明，塑性指数1 5 以上的粘性土一般均可作为配制浆液的原 料，且塑性指数越高，粘土颗粒的分散性超好，造浆的效率越高【4 l l 。我国粘土资源 丰富，大多数矿区注浆用粘土可就地取材；水泥是浆液的结构生成剂，水泥颗粒的 水化作用使得浆液具有一定的结构强度，而且浆液结构强度的增长与水泥颗粒水化 反应速度有关，水化反应超快，浆液结构强度增长亦越快；水破璃是浆液的添加 剂，它促使水泥颗粒更快水化，在浆液结构形成过程中起加速剂的作用。 粘土水泥浆之所以能起到堵水作用，主要取决于浆液的粘塑型待征，而不是浆 液的抗压强度，这是采用粘土水泥浆注浆的一个基本观点。 3 1 2 注浆材料的使用范围及要求 从注浆后的强度和经济角度来看，可注入水泥。适用于岩石裂隙或粗砂、砾石 层注浆。不仅可以注进水泥浆液阻挡水流，而且还能提高岩层或土层的强度。但 是，在涌水量大的情况下，虽水泥浆液可以完全注进去，但在凝结之前容易被地下 水稀释，产生流失现象，不易达到注浆目的。这样，就存在浆液的可注性和凝结时 间两方面问题。为了解决这个问题，在注入过程中，要求浆液应有较低的粘度、易 于渗透扩散，还能速凝【矧。同时，粒径较大而进入细微裂隙的能力低；因易于析水 沉积而稳定性差，硬化后的结石体积收缩等。我国研制出不同种类的超细水泥浆 材、改性浆材和膏状浆材，并且在实践中取得成功。例如，利用超细水泥加固弱风 化的岩体；利用改性水泥可以在浆体硬化过程中产生微膨胀，可以调节浆体凝结时 间和膨胀稳定性，并提高硬结浆液的早期强度。 1 6 3 注浆材料及性能研究 在中等静水压力下向中等裂隙岩层中注浆，使用中等标号水泥。在地下水压力 一般的情况下向小裂隙和细裂隙含水岩层中注浆时使用商标号水泥。当向含水裂隙 岩层和沿裂隙有大量循环水的岩层注浆时，在吸浆量很大而压力不升高条件下，使 用速凝水泥i “。 通过试验室确定把一定数量的填料添加到浆液中去，可以减少水泥的消耗量和 提高浆液的浓度。填料分为两种，一是来自岩石( 石灰岩、砂、粘土等) 的天然材 料。一是来自工业废料( 高炉渣、锅炉渣、锅炉灰等) 的人工充填掺料i 堋。浆液中 填料的含量应该经过实验室用试验方法确定。 注浆使用的纯水泥浆应该具有的特性1 4 5 】： 1 流动性好，能够用泵通过管路压注到钻孔中去，渗透能力好，能使浆液在压 力作用下沿着岩层裂隙和孔隙扩散并达到需要的距离；2 一定的稳定性，在含水 岩层的整个注浆时间内能够不改变其性质；3 抗水性，能保证浆液不被地下水冲 刷和冲淡。此外，这些浆液在固化时必须能够保证具有很高的结石率，结石收缩率 最小，强度最大和不透水，以及对地下水侵蚀作用有一定的抗水性。根据受注含水 岩层的裂隙率应该设法使用低水灰比的浓水泥浆l 帖l 。 化学浆液具有某些水泥浆液所不具备的特性：1 粘度低，可以注入微细裂 隙；2 凝固时间可以准确控制： 3 固结体可以适于补强用的塑料体、应变形的橡 胶体或止水用的凝胶体等，因而可以满足工程的多种要求。但是化学浆材的成本 高，配方比水泥浆液复杂。一般情况下，尽量先采用水泥浆材，若不能奏效，才使 用化学注浆。 在化学浆液中，水玻璃仍然是主要化学注浆材料。水玻璃材料价格低廉，广泛 地被用于许多方面，如软弱土层或砂层建筑物基础的加固，矿井和砂砾石层的地面 预注浆，井壁防渗堵漏等。此外，水玻璃和水泥组成双液将浆常用于松散破碎岩体 的堵水加固1 4 7 j 。 3 1 3 浆液性质 注浆材料的主要性质包括：分散度、沉淀析水性、凝结性、热学性、收缩性、 结石强度、渗透性和耐久性等i 删。 1 材料的分散度 材料的分散度是影响可灌性的主要因素，一般分散度越高，可灌性就越好。分 散度还将影响浆液的一系列物理力学性质。 一1 7 - 河北理工大学硕士学位论文 2 沉淀析水性 在浆液搅拌过程中，水泥颗粒处于分散和悬浮于水中的状态，但当浆液制成和 停止搅拌时，除非浆液极为浓稠，否则水泥颗粒将在重力作用下沉淀，并使水向浆 液顶端上升。 沉淀析水性是影响注浆质量的有害因素。在注浆过程中，颗粒的沉淀分层将引 起机具管路和地层孔隙的堵塞，严重时还可能造成注浆过程的过早结束。在注浆结 束后，颗粒的沉淀分层将使浆液的密度在垂直方向上发生变化，从而使注浆体的均 匀性降低；浆液的析水则将使结石率降低，在注浆体中形成空隙。粘土由于分散度 高和亲水性好，因而沉淀析水性较小，在水泥悬液中加入粘土后，将使浆液的稳定 性大大提高。 3 凝结性 浆液的凝结过程常被分为两个阶段：初期阶段，浆液的流动性减少到不可继续 注浆的程度；第二阶段，凝结后的浆液随时间而逐渐硬化。研究证明，水泥浆的初 凝时间一般交化在2 4 小时。由于水泥微粒内核的水化过程非常缓慢，故水泥结石 强度的增长将延续几十年。 4 结石强度 影响结石强度的因素主要包括：浆液的起始水灰比、结石的孔隙率、水泥的品 种及掺和料等，其中以浆液浓度最为重要。 5 耐久性 水泥结石在正常条件下是耐久的，但若注浆体长期受水压力作用，则可使结石 破坏。当地下水具有侵蚀性，宣根据具体情况选用矿渣水泥、火山灰水泥、抗硫酸 盐水泥、高铝水泥。由于粘土料基本不受地下水的化学侵蚀，故粘土水泥结石体的 耐久性比纯水泥好。此外，结石的密度越大和透水性越小，注浆体的寿命就越长。 3 1 4 浆液选择要求 注浆材料是注浆技术中不可缺少的主体，注浆之