水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟_刘健
岩体裂隙开度变化对浆液扩散规律的影响分析
方程和边界条件下的连续性方程 ，推 导牛顿液体在 两种裂 隙形状 中渗透注浆的参数 关 系，对 比研 究了 裂隙开度不 变和 变化两种情 况下浆液 的扩散规 律 。结 果表 明，开度 变化 对扩散距 离有较 大影响 。因
此 ，在 进 行 注浆 理 论研 究 中 ，应 该 建 立反 映 开度 变化 的裂 隙模 型 ，并研 究 裂 隙 开度 变化 对 渗 透 注浆 的 影 响规 律 。
关 键 词 ：岩 体 裂 隙 ；开度 变化 ；扩 散 规 律 中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ２ ６ Ｕ ７ ．
０ 引 言 Biblioteka 文 献标 志码 ：Ａ 文 章 编号 ：１ ０ ０ ３—８ ２ ２ １ ０ ０ ７ ８ ５（０ ０） ６— ０ ９～０ ３
变 。显 然 ，这种 裂 隙 模 型 与 实 际 裂 隙 形 状 差 别 很 大 ，
李 华 茂 ，等 ：岩 体 裂 隙 开 度 变 化 对 浆液 扩散 规律 的影 响分 析
・ ９・ ７
岩 体 裂 隙 开 度 变 化 对 浆 液 扩 散 规 律 的影 响 分 析
李 华茂 ，付 军 ，孙 晓辉
（ 水 北 调 中线 于线 工 程 建 设 管 理 局 河 南 直 管 建 管 部 ，河 南 温 县 南 ４４５ ） ５ ８０
现有 的岩体注浆理论研究 只限于单一 裂隙 ，且均 假设裂隙面光滑 ，裂 隙开度一定 ，且不 随注浆压力改
收 稿 日期 ：２０ ０ ０ ９— ９—１ ５ 作 者 简 介 ：李 华 茂 （ ９２一） １７ ，男 ， 河 南 焦 作 人 。工 程 师 ， 硕 士 ， 从 事 水 利 工 程 建 设 与 施 工 管 理 。 Ｅ ｍ ｉ：７ ３ ６ ２ — ａｌ７ ８ ７ ３４＠
摘
水力压裂三维数学模型研究
式中： D 为应变速率张量， ρ 为流体密度，η 为流 体粘度，V 为流体流动速度矢量， F 为单位质量的 体积力。 对于幂律流体则有如下关系： η = KS ( n−1) 2 (13)
式中： n 为流态指数， K 为压裂液的稠度指数。S 为 ∂p 2 ∂p 2 + y x ∂ ∂ 压裂施工中压裂液的连续性方程为 ∂w ∂q ∂q y − qL = − x− ∂t ∂y ∂x
2 三维水力压裂数学模型的建立
岩石水力压裂过程是流体与外力共同作用下岩 石内部裂隙与裂缝发生、发展和贯通的过程[7] 。水 力压裂的第 1 阶段是形成裂缝。为此，把液体注入 井内直到压力超过岩层阻力而在该处产生水力破 裂。该阶段当钻井有天然裂缝时，可能不存在重新 造缝的情况。 水力压裂的第 2 阶段是已形成裂缝的扩 展。即把液体注入已形成的裂缝，迫使其扩展。裂 缝扩展的范围，取决于注入到岩层液体的体积和性 质。在某一点裂缝扩展期的支撑剂是浓缩液和注入 液的混合体。注入支撑剂的目的，在于保持裂缝不 闭合，并把浓缩液体导出[8] 。因此，三维水力压裂 的数学模型需要描述如下几个过程：破裂的产生、 破裂方向和裂缝的扩展、压裂液在裂缝中的运移、 压裂过程中的温度变化等。其数学模型一般包括： 应力-位移关系方程、裂纹扩展判据方程、流体流动 关系方程、能量守恒方程等。 2.1 水力压裂破裂准则 2.1.1 拉伸破裂准则 水力压裂破裂前的孔周应力分布由原始地应力 场、孔内流体压力和钻孔应力集中所构成[9]。为简 化分析，假设岩石为均质各向同性弹性介质，且无 渗透性，则若以压应力为正，孔壁处的应力为 σr = p σ θ = (σ H + σ h ) − 2(σ H − σ h ) cos 2θ − p (1) σ z = σv
风化泥岩裂缝涌水及扩展规律模拟试验研究
风化泥岩裂缝涌水及扩展规律模拟试验研究李江华;许延春;董检平;郭文砚;曹旭初【摘要】为了研究风化泥岩裂缝涌水及扩展变化规律,研发了一种岩石裂缝涌水扩展试验装置.通过对赵固一矿现场岩样进行干燥饱和吸水率、点荷载强度等试验分析了不同层位风化泥岩的物理性质,根据物理性质的差异制作了两组风化泥岩岩石试件,并采用X射线衍射(XRD)试验测试了试件的矿物组成成分.通过设置不同的注水压力和裂缝宽度对两组岩石试件进行风化泥岩裂缝涌水及扩展模拟试验,得出了试验含水层水压力和裂缝通道涌水量的变化规律,并探讨了注水压力、裂缝宽度和岩石物理性质对风化泥岩裂缝扩展的影响,总结出水流作用下风化泥岩裂缝扩展规律.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)004【总页数】8页(P984-991)【关键词】风化泥岩裂缝;涌水;扩展规律;水压力;涌水量【作者】李江华;许延春;董检平;郭文砚;曹旭初【作者单位】中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD745.2突水事故居煤矿五大灾害事故第2位，据不完全统计，2014年我国煤矿发生突水事故7起，死亡人数63人。
突水事故不仅造成了工程本身的灾害，更给国家和人民造成重大的生命和经济损失。
新生界底部含水层水是矿井突水主要水源之一，直接影响采矿工程的安全和稳定。
此外，采矿工程活动产生的顶板裂隙通道也是矿井发生突水的必备条件，是地下工程活动中经常面临且必须解决的重大问题。
近年来，许多矿井为提高开采上限在薄基岩区留设防砂安全煤(岩)柱，其保护层主要位于风化带岩层，由于受采动的影响产生了采动导水裂缝，该类裂缝可以导水但一般不会导砂。
高边坡维护中超细水泥浆液的注浆工程应用研究
的特点为紫 红色 ， 晶质 结构 ， 显 中厚层 状 ， 少量泥质 ， 夹 含 偶
薄层状 灰岩 ， 溶蚀裂 隙及溶洞发育均有可 塑 一硬塑状粘 土充 填． 芯多呈柱状 ， 岩 岩体完整性 好 ， 该层揭露厚度为 ３ ． ｍ． ５３
掺量为 １ ％ ； ５ 石灰 的掺量 为 ７ ５ ； ． ％ 激发 剂 Ｎ Ｏ 的掺量 为 ａＨ
３ ； ％ 水玻璃 （ 波美 度 ３ ） ５ 的掺 量为 浆液体 积 ： 水玻 璃体 积 ＝
１０ ３ 浆 液的主要性能见表 ３ 浆液 的制 备具体过 程如 图 ２ ：． ． ， ， 注浆试验孔采用梅花 型布置 ， 排距 与孔距均为 ２ ５ 如 图 ３ ．ｍ， ． 表 ２ 某高边坡典型岩石 弱面粘结 力与摩擦 角参数表
后 ， 易产生 干裂而发生 崩塌 ； 容 此外 ， 岩体节理 裂隙发 育 ， 地 下水沿节理活动， 差异溶蚀现象严重． 岩层结构面脆 弱 ， 岩块
稳 定 性 差 ， 旦 形 成 临 空 面 ， 向低 洼 地 带 产 生 崩 塌 ， 形 成 一 即 而
１ 地质 条件
１ １ 地 层 特性 ．
经过室 内试验后的浆液能否 达到好 的注 浆效果 ， 必须在 施工现场选择具有代表性的位置进行现场 注浆实验研究 ， 以 确定最优的施工材料和施工工艺 ， 选择 某高边坡作 为实验浆
材 的试 验 现 场 ．
如下 ：
，
（） １ 瘤状灰岩 含泥成 分较 高 ， 风化 差异 明显 ， 岩石 脱水
比、 分析 、 总结 ， 全面阐述 了超 细水 泥注浆技术的优点和施工工 艺， 并将其应 用在 某高边坡弱面加 固工程 中．
注浆工艺
压力注浆法是一种利用气压、液压或化学原理把能凝固的浆液均匀地注入填料地层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式,驱走裂缝、孔隙中的水分和气体,并填充其位置,硬化后将岩土胶结成一个整体,形成一个强度高、压缩性低、抗渗性强和稳定性良好的新岩土体,使土基得到加固的施工工艺。
结合工程实例对压力注浆加固地基方法的质量控制进行总结。
近几年,冶金建设发展较快,绝大部分冶金投资建设项目均要求在最短的时间内完工,达到投产目的。
然而在建设过程中,业主往往会对科学的工期进行压缩,这相对给施工质量控制带来很大的困难。
特别是在大型设备基础、深基础等大开挖施工中,因工期紧,土方回填工程量大,基础回填往往无法按照设计及施工规范要求进行分层夯实回填,为保证基坑回填土施工质量,保证回填土地基的荷载力要求,则必须进行加固处理。
本文是笔者查阅了相关注浆技术规范资料并结合自己在邢钢不锈钢工程回填土地基压力注浆施工监理工作中的经验与教训而写成的。
希望对同仁在实际工作中有所帮助。
1压力注浆技术要求1.1压力注浆施工工艺简介。
压力注浆法就是一种利用气压、液压或化学原理把能凝固的浆液均匀地注入填料地层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式,驱走裂缝、孔隙中的水分和气体,并填充其位置,硬化后将岩土胶结成一个整体,形成一个强度高、压缩性低、抗渗性强和稳定性良好的新岩土体,使土基得到加固,减少工后沉降,从而改善地基的物理化学性质的施工工艺,该工艺在地基处理中应用领域十分广泛,主要用于截水、堵漏、加固地基、防止及纠正建筑物变形。
1.2压力注浆施工方案的选择。
注浆方案选择是进行注浆施工首先解决的问题。
一般把注浆方法和注浆材料的选择放在首要位置,同时还应考虑工程地质条件、工程本身性质等。
具体实施方案应根据现场注浆试验确定。
1.3注浆标准与范围。
注浆标准是指设计者要求注浆后应达到的质量指标。
注浆范围是指根据业主要求对需要注浆加固处理的区域确定注浆处理的长度、宽度、深度。
软弱煤层注浆加固的实验室研究
本实验 中将几 种水灰 比的浆液与煤 相混合制成标 准试
块， 测定其 四个龄期 的抗压强度 ， 比较 各配 比的同期强 度的 大小 ， 反映各配比试 块 的强度变 化规律 ， 为支护 方案的水灰 比的设计和优化提供依据。
２ １ 选 择原 材 料 ．
注浆材料应满足 以下要求 ：
维普资讯
２ ６ 第４ ０年 期 ０
东 斜技 越晨
６ ９
软 弱 煤层 注 浆 加 固 的 实验 室研 究
山东里能里彦矿 业有 限公 司 徐兴 河 关键词 软弱煤层 注浆 配比 实验 石， 只是由于 自身 的松软以及地压及 地质 条件 的影 响而造成 了巷道 的支护困难 。因此注 浆材 料采用水 泥浆 液 即可满 足 要求 ， 一般采用掺加少量水玻璃 的水泥单液浆。
水泥既能保证较快的凝胶 ， 叉能确定较大的抗压强度。 （） ２集料 ： 为集料 的煤应尽量 保持 与数值模拟 试验 地 作 点的煤有相 同的状 态， 如含水率 、 隙率 、 孔 块度等。因此 ， 实 验中所用煤块取 自 １０ ２５下顺 ， 用 自然片帮 的煤 块采集后 选 的煤及时用袋子封闭 ， 以防失水和风化。
有采取接地保护 ， 这样就会更危险了 。若在家庭 中安装 了漏 电保护器 ， 家用电器得到了保护 ， 安全用 电得到了保 障。 作者简介 陈英强 男 ，９０年 出生 ，９５年毕业于 山东建 １６ １９
电动式 （ 电磁型）电子式 （ 、 电压型和 电流型 ）经 过二十多年 ，
的应用实践证 明， 电子式的 电流 型 Ｂ Ｄ以漏电电流小 、 Ｃ 动作 灵敏。抗干扰性好 、 高低 温 、 能稳定 、 护功能 多 、 耐 性 保 安装 使用简便等优点受到 用 户青 睐 ， 除起漏 电保护作 用外 ， 它 还 筑工程学院机 电专业 。 机电工程师 ， 从事 机电技术管理工作 。
倾斜裂隙中宾汉姆流体非稳定浆液运移机理
倾斜裂隙中宾汉姆流体非稳定浆液运移机理 徐斌;董书宁;尹尚先;戴振学;李树霞;张润畦 【期刊名称】《煤炭学报》 【年(卷),期】2022(47)11 【摘 要】水泥基宾汉姆流体浆液在倾斜裂隙中的扩散范围确定直接影响注浆工程参数的选择。为研究宾汉姆流体浆液扩散半径计算理论,根据宾汉姆流体浆液运移过程中具有“浆-水”分离的非稳定特性,建立宾汉姆流体浆液改进的分层充填物理模型,并使用物理模拟方法验证分层充填假设的可靠性;基于以上改进的物理模型,提出“有效扩散半径”和“无效扩散半径”的概念;利用改进的分层充填物理模型和N-S方程推导了宾汉姆流体浆液在粗糙倾斜裂隙中的有效扩散半径理论公式,该理论模型考虑了注浆压差、裂隙倾角、裂隙隙宽、裂隙粗糙程度4个主控因子对浆液扩散半径的影响;考虑到注浆工程中通常将沿裂隙走向“有效扩散半径”作为设计依据,进一步推导了对宾汉姆流体浆液方位角θ=90°时“有效扩散半径”的解析解;为了验证改进的分层充填物理模型和方位角θ=90°时“浆液扩散半径”的解析解的可靠性,将其与常规理论模型进行比较,并使用数值模拟的方法对“有效扩散半径”的计算值进行验证。室内浆液扩散试验表明,水泥基宾汉姆浆液运移时确实有分层分区运移的现象,浆液在平面上的分布可分为3个区域:浆液混合区、分层扩散区、分层扩散前锋面区,这一现象与数值模拟中浆液在最后一层充填时有明显的密度分区现象比较一致;裂隙中有效扩散半径取决于最后一层充填时裂隙宽度、注浆压差、裂隙粗糙度等参数,而非注浆参数和裂隙介质参数的初始值;与现有常用模型相比,改进后的宾汉姆流体浆液沿裂隙走向“最大有效扩散半径”的理论计算值与注浆工程现场经验值更加吻合。 【总页数】11页(P4083-4093) 【作 者】徐斌;董书宁;尹尚先;戴振学;李树霞;张润畦 【作者单位】华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室;中煤科工西安研究院(集团)有限公司;吉林大学建设工程学院;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘学院
裂隙岩体损伤的注浆加固效果试验
裂隙岩体损伤的注浆加固效果试验许延春;李昆奇;谢小锋;刘世奇;吕斌【摘要】为了研究岩体的裂隙损伤及注浆加固恢复效应,基于损伤力学理论,引入损伤变量,构建综合岩体损伤和超声波测速定量评价裂隙岩体注浆加固效果的方法.通过室内试验模拟岩体裂隙损伤及注浆加固过程,应用超声波检测技术测定岩体在不同裂隙宽度下的声波传播速度,进而推算岩体动弹性模量,并对比分析注浆前后裂隙岩体的损伤变量与动弹性模量的变化程度及规律.结果表明:注浆前后岩体损伤变量均与裂隙宽度成正相关;同一裂隙宽度下,泥岩的损伤变量最大,为0.89;灰岩最小,为0.57;注浆后,裂隙岩体损伤变量明显减小,且岩体动弹性模量明显增大,其中砂岩动弹性模量增加幅度最大,为354.82%;泥岩次之,为174.15%;灰岩最小,为85.75%.根据实验室结果对比分析,提出注浆加固变量,建立分级分岩性定量评价注浆效果的新方法,并应用于现场实践.%In order to study crack damage and reparation effect of grouting in jointed rock mass,based on damage mechanics as well as introducing damage variable,composite rock mass damage and ultrasonic velocity measurement were built to quantify the reparation effect of grouting in jointed rock mass. The grouting reinforcement process and crack damage of fractured rock mass were simulated through laborato-ry experiment. Dynamic elastic modulus was reversely calculated through the application of ultrasonic testing technology,which could measure the acoustic wave propagation velocity in different crack width. Therefore,the changing rules between dynamic elastic modulus and damage variable were analyzed be-fore and after grouting. The result shows that there is a positive correlation between mass damage variable and crack width beforeand after grouting. For the same crack width,the damage variable of mudstone is maximum,while limestone is minimum(0. 89 and 0.57,respectively). After grouting,the damage varia-bles decrease and dynamic elastic modulus increase obviously. The increment of dynamic elastic modulus of sandstone is the largest, reaching 354. 82%, followed by mudstone ( 174. 15%) and limestone(85. 75%). According to the laboratory results,with the research of reinforcement variable,a new meth-od of lithology grade assessment was built to quantify the grouting effects, which could be successfully applied to the field practice afterwards.【期刊名称】《西安科技大学学报》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】6页(P26-31)【关键词】裂隙岩体;损伤变量;动弹性模量;定量评价【作者】许延春;李昆奇;谢小锋;刘世奇;吕斌【作者单位】中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京100083;国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京),北京100083;中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京100083;国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京),北京100083;中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京100083;国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京),北京100083;中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京100083;国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京),北京100083;中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京100083;国家煤矿水害防治工程技术研究中心(北京),北京100083【正文语种】中文【中图分类】TU455由于地质作用，岩体内部形成了不连续面，因此几乎所有的岩体中都存在裂隙，它制约着岩体的强度和渗流特征。
注浆法施工技术
浆液有效扩散半径
扩散半径—浆液在裂隙流动扩散的范围 有效扩散半径—浆液充塞胶结后起堵水或加固作用的有效范
围，与地层渗透系数、裂隙大小、注浆压力、凝胶时间、注 浆时间及浆液注入量等成正比，与浆液的黏度及浓度成反比
浆液的凝胶时间
凝胶时间必须大于注浆时间
12.4 施工程序及施工要点
基本工艺
浆液桶
✓围岩劈裂加固：围岩经开挖，将出现破裂区、塑性区、弹性区 的应力重分布，钻注浆孔再次重分布，劈裂注浆将产生新的裂 隙和导致原裂隙扩展，并使浆液充满，与围岩凝固胶结
围岩劈裂注浆过程
✓浆液充填：浆液充填注浆管、注浆孔和围岩较大裂隙 ✓初次劈裂：注浆压力上升，达到起裂压力时，在最小主应
力面上发生劈裂，浆液压力迅速下降，流量增大
劈裂扩散2 (渝怀线圆梁山隧道1#溶洞淤泥质 地层采用普通水泥-水玻璃双液浆 注浆施工注浆固结体图片)
劈裂扩散3 (渝怀线圆梁山隧道2#溶洞高压动水粉细砂 层中采用C浆、C-S浆、MC浆、MC-S浆、 TGRM浆、HSC浆共混材料进行注浆施工时注 浆固结体图片)
●在残积层、岩石断层破 碎带进行注浆施工时，一 般当注浆材料粒径能满足 小于裂隙宽度的1/3～1/5时， 均能产生裂隙填充。根据 施工经验，在这种地层中， 一般采用普通水泥浆、普 通水泥-水玻璃双液浆基本 能满足裂隙填充的要求。
(3)回填防沉
浅埋暗挖工程采取对拱 顶回填注浆孔进行回填
注浆控制地表下沉
盾构工程采取对预留 回填注浆孔进行回填
注浆防止地表下沉
(4)竖井下沉控制
某竖井工程穿越淤泥质地 层时竖井下沉后采取注浆
技术进行下沉控制
(5)桥台控沉
某大桥桥台基础为软土地基，施工后桥台 下沉，采取注浆加固控制桥台下沉
地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用
结果与讨论
通过文献综述和实验研究，本次演示得出以下结论：首先，化学注浆法和物 理注浆法在封堵涌突水方面都有一定的效果，但化学注浆法的封堵效果更优异， 其固化时间短、封堵速度快，适合处理涌突水险情；其次，浆液的扩散机制主要 受到地层条件、注浆压力、浆液性质等因素的影响，其中地层条件是最主要的因 素，因此在选择注浆材料和工艺时需要考虑地层特点；最后，
文献综述
在国内外学者的研究中，关于地下工程涌突水注浆止水的方法主要分为两类： 化学注浆法和物理注浆法。化学注浆法主要采用聚氨酯、环氧树脂等化学材料作 为浆液，通过注浆管路注入地层，使其在裂隙或孔隙中扩散、固化，从而达到封 堵涌突水的效果。而物理注浆法则采用水泥、硅酸钠等物理材料作为浆液，同样 通过注浆管路注入地层，利用浆液的物理性质，如粘度、凝固时间等，来达到封 堵效果。
地下工程动水注浆过程中浆液 扩散与封堵机理研究及应用
01 引言
03 结论
目录
02 正文 04 参考内容
引言
地下工程是人类社会发展中不可或缺的一部分，然而，在地下工程施工过程 中经常会遇到涌水、渗漏等问题。为了解决这些问题，动水注浆技术应运而生。 在动水注浆过程中，浆液扩散与封堵机理是该技术的关键问题，直接关系到治理 效果。因此，本次演示将对地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理进行深 入探讨，以期为提高地下工程的安全性与稳定性提供理论支持。
通过本次演示的研究成果，可以得出以下结论：（1）合适的注浆压力和浆 液性质能够有效促进浆液的扩散；（2）浆液固化后的物理性质和化学性质对封 堵效果具有重要影响；（3）动水注浆技术是地下工程治理中的一种有效手段， 能够显著提高工程的安全性和稳定性。
参考内容
随着地下工程的不断增多和复杂化，地下水处理和封堵变得越来越重要。水 泥基速凝浆液作为一种有效的地下工程封堵材料，具有固化速度快、强度高、耐 久性好等优点，在地下工程动水注浆扩散封堵中具有广泛的应用前景。本次演示 将从水泥基速凝浆液的扩散封堵机理、应用实践、研究现状和不足等方面进行探 讨，并展望未来的研究方向。