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1、孔隙岩层有机高水材料注浆堵水机理研究高京泽 宋彦波摘要：注浆堵水是煤矿防治水的有效方法之一，是随着注浆技术的发展而发展的。近年来，注浆堵水技术注浆机理研究主要集中在以水泥浆为基础的注浆加固，而对具有二次渗透特性的有机高水材料，在其堵水机理分析方面的研究都还很不充分，在工程中还很少应用。通过研究可知：有机高水材料浆液在层流状态时，含水层渗透系数，注浆时间、钻孔半径等与注浆量成正比，而浆液的粘度则与注浆量成反比。在注浆堵水过程中，有机高水材料浆液的二次渗透压力与注浆一次压力相结合具有协同作用，可促进浆液的进一步渗透，对注浆堵水效果具有积极作用。具有二次渗透特性注浆堵水参数计算理论的提出，丰富了注浆
2、理论内涵，为矿井注浆堵水实践提供了可靠的理论指导。关键词: 岩土工程，注浆堵水，二次渗透，堵水机理Mechanism Research of Grouting to Sealing Water in Alluvium StrataSong yanbo1 , Tian jindong2 (1.China University of mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;2. Yangquhe Mine of Fengfeng Coal Mining Group, Handan Hebei 056000,China )Abstr
3、acts: Water sealing by grouting is one of the most effective ways to prevent and control underground-water flood for coalmine. The mechanism Research of Water-sealing by grouting is mainly covering the cement grouts and not related to the dual penetration. The paper analyzed the grouting mechanism t
4、o sealing water in alluvium strata and get that the strata permeability coefficient, grouting time, bore hole radius is direct ratio with grouting quantity, but the viscosity of fluid is inverse ratio with grouting quantity in alluvium strata steady flow grouting. The research we have done suggests
5、that the dual expansion pressure cooperating with the pump grouting pressure make slurry penetrating sufficiently and have a positive effect on water sealing by grouting in alluvium strata grouting. This is the characteristic of the organic material with high water content and is different from conv
6、entional fluid in grouting mechanics. Thus we provided the dependable theoretical guide for practice of the grouting to sealing water.Keywords: geo-technology engineering, water-sealing by grouting, dual expansion pressure，grouting mechanism to sealing water1概述注浆堵水是指将各种堵水材料制成的浆液压入到岩层预定地点，并使浆液扩散、凝固和硬
7、化，从而起到堵塞空隙、隔绝水源，提高含水岩层隔水性能的作用，其实质是在地下水渗流场的基础上增加一个与原渗流相反的人为渗流场，属岩土工程范畴1。根据地下水的渗流规律，可将浆液在岩体空隙中的渗流分为孔隙渗流与裂隙渗流，本文将以孔隙渗流分析研究为主。目前注浆理论的研究主要集中在以水泥浆为基础的注浆加固方面，而对具有二次渗透特性的有机高水材料，在其堵水机理分析方面的研究都还很不充分，在工程中还很少应用。有机高水材料是指浆液结石体中最高水体积比大于80%、并能凝结硬化的水溶性有机高分子注浆材料，由于是溶液型浆液，并在注浆堵水过程中能与大量的水反应生成具有隔水性能的凝胶体，可用于含水层注浆堵水。2浆液的稳
8、定层流分析在孔隙型含水层注浆过程中，有机高水材料浆液的流态可简单地分为层流和紊流两种，区分流体层流与紊流的指标是Re.常数，一般稳定层流浆液的Re.临界值为14002000，浆液的Re.值如超过临界值则可视为紊流流态2。冲积层多为孔隙介质，孔隙介质中浆液流动机理可用圆管模型对浆液流动规律进行分析。2.1 注浆初始阶段设注浆压力为p2，圆管半径为r0，横截面积为A，长度为L, 倾角为，如图1示。作用于圆管的力有静水压力，注浆压力，水的重量在渗流方向上的分量，管壁对渗流的阻力为TLA， T为单位水头阻力，则有： 图1 注浆压力分析示意图 2.2 注浆后期阶段在注浆压力作用下，圆管内的水发生逆渗流，
9、设二次压力为，如图2所示，则圆管受力平衡条件有：图2 后期注浆压力分析模型 在L1段：二次压力是在注浆压力的基础上共同克服静水阻力，来促进浆液的渗透: 式中：后期注浆压力；L1有机高水材料与水反应凝胶段长度；L2有机高水材料与水反应后所生成气体在圆管内的长度；L3注浆材料在圆管内所占的长度；m反应生成气体的摩尔数；摩尔气体常数；V0气体反应生成体积；T反应时的环境温度(一般设温度为20)。在注浆的后期阶段，随浆液粘度的增加，浆液的流动性在某一时刻可按Bingham型流体来考虑，就是要求注浆压力必须大于浆液内部的内摩擦阻力（静剪应力），浆液才开始流动，圆管内浆液流动的起始压力 的值应滿足下式浆液
10、才能向裂隙深部渗透： 假设浆液以钻孔端部为中心做球形扩散，则根据达西定律： 式中：浆液在冲积层内的渗透系数，=，为浆液的粘度系数；I 水力梯度。由于浆液沿球形面扩散，在r半径处的浆液流速为: 当r增加到r1，而降到 (地下水静压力)时，浆液的流动达到平衡，并停止运动，此时对上式进行积分： 上式中由于r1r0，其中为浆液的密度，则可将上式简化为: 如果将有机高水材料的二次压力考虑进来，根据达西定律： 对上式两边进行积分有： 当，时，可得: 式中：为冲积层渗透系数，m/s;有机高水材料在冲积层中的渗透系数，=/，m/s；浆液粘度对水的粘度比；含水层的孔隙系数；注浆浆液的二次压力值。3浆液的紊流分析
11、松散岩体是由成组纵横交错的节理或裂隙，并相互切割而成的岩石和节理裂隙的组合体，对于各节理或裂隙切割的相交线，由于是由两条以上的节理或裂隙切割出的，其导水性较单纯的节理面或裂隙面要强，因此可以将节理或裂隙的切割相交线视为导水圆管。又因在导水圆管内注浆是以脉冲方式注入的，浆液的流动速度快，而且由于浆液以高速流进裂隙水内部，只有这样浆液才能与水充分混合，才能充分进行膨胀化学反应。在这一时间内,裂隙内的液体处于两相流动状态，浆液的雷诺数比较大，当雷诺数Re.2000时，即可以将浆液的流动视为圆管紊流。在圆管内研究浆液流动机理、分析圆管内浆液流速分布规律时，可采用柱坐标系。在柱坐标系中，不可压缩液体的连
12、续方程为3： 对连续方程取时间平均，可得圆管柱坐标系不可压缩液体的时间平均连续方程： 在柱坐标系中不可压缩液体的雷诺方程为： 对于圆管紊流，由于流动为轴对称，因此，圆周向流速，径向流速且与x坐标无关，如果考虑动水压力，则质量力项不再出现，则有： 令处的压强即壁面压强为，则得： 由于边界条件时，有 可得： 设J为单位长度的压力降落，即： 式中：，则有： 上式即为注浆堵水圆管模型中某一点x处断面上距轴心为处的浆液压力与起始断面壁面压强之间的关系。层流和紊流是两种不同的流态，在注浆过程中浆液的流态有时呈现紊流型态，但由于紊流运动的极端复杂性，其流动机理至今还尚未被人类所掌握，今后应加强对浆液紊流本质
13、机理的定量研究工作。4结论有机高水材料在水渗流场中的运动是水渗流的逆过程，在建立浆液渗流圆管模型的基础上对浆液在孔隙注浆时的稳定层流和紊流规律进行了分析。对浆液在孔隙注浆过程中的渗透规律进行了总结，渗透系数越大、注浆量越大则浆液的扩散半径也越大。二次压力同注浆压力一起可提高注浆过程中的注浆量，对注浆具有积极的协同作用。有机高水材料与水反应后生成的大量气体一方面同注浆压力一起促进了浆液的渗透，另一方面又增加了浆液凝胶体的抗渗性能。在有机高水材料与水反应过程中，所生成的气体摩尔数越多，则在相同的注浆压力作用下，就越容易克服静水阻力和因浆液凝胶所产生的粘滞阻力，就越有利于注浆的进行。有机高水材料浆液
14、在注浆过程中的膨胀二次压力与注浆一次压力相结合具有协同作用，可促进浆液的进一步渗透，对注浆堵水效果具有积极作用。参考文献1. 黄德发,王宗敏,杨彬.地层注浆堵水与加固施工技术.徐州:中国矿业大学出版社,20032. 董曾南，章梓雄.非粘性流体力学.北京: 清华大学出版社，20033. B.Amadei，W.Z.Savage. An analytical solution for transient flow of Bingham viscoplastic materials in rock fractures. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2001, (38): 285296作者简介：高京泽（1960-），男，河北隆尧人，1982年毕业于中南工业大学，高级工程师，现作邢台同成矿业科技有限公司副总经理。
