砂土层破壁化学注浆扩散机理模拟实验研究

能源技术与管理　２００８年第３期　

砂土层破壁化学注浆扩散机理模拟实验研究　

贾建强，姜振泉，李建硕，王档良　（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州２２１００８）　

［摘要］根据相似理论，对徐淮地区厚松散含水层主要岩土体进行相似替代，建立破壁化学　注浆实验模型。通过浆砂固结体的形态特征研究浆液的扩散机理，认为化学浆液在　砂土层中的扩散机理主要为水平劈裂、垂直劈裂和挤密渗透。　［关键词］相似理论；实验模型；扩散机理；浆砂固结体　［中图分类号］ＴＤ２６５、４　４［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２＿９９４３（２（）（）８）０３＿Ｏ０６６＿Ｏ３　

０引　言　

立井井壁破坏严重影响煤矿正常安全生产，　

壁后注浆是处理这一问题的有效方法。据统计，在　治理的４０多例井筒中有８０％以上的都使用了破　

壁注浆治理方案。但是，在煤矿立井井壁破裂的治　理中，注浆施工工艺及设计总是建立在主观经验　

的基础上，尤其是对于破壁化学注浆机理及其规　律的认识还不清楚。破壁注浆理论的发展已经大　大的制约了破壁注浆工艺的发展。本文结合徐淮　地区厚松散含水层的地质条件，建立实验模型，力　

求通过实验了解壁后化学注浆浆液的扩散机理，　以期为壁后化学注浆提供一些理论上的参考。　

１　注浆模型相似理论…　

破壁注浆模拟实验的相似性主要从几何相　似、物理状态相似、边界条件相似三个方面进行研　

究。　

１．１　几何相似　模型与原型各部分的尺寸应该满足同样比例　

缩小和放大，即：Ｉｐ／ｌｍ￣ａ　＝ｎ，ｆ＝／ｚ二＝　＝ｎ　，　：＝　＝ｎ　

式中，字母下标Ｐ代表原型，ｍ代表模型；ａ　、　

ａａ、　分别表示长度相似系数，面积相似系数和体　积相似系数。　

１．２物理状态相似　（１）土的物理指标相似性。　

关于土模型的相似性，Ｒｏｃｈａ、Ｈｏｅｋ和Ｒｏｓｃｏｅ　都分别作过研究。中国矿业大学的隋旺华教授关　于土体的物理指标的相似也做过研究，指出在进　

行相似模型实验时，定性模拟的相似常数ｎ取　

１００～２００之间，定量模型在２０～５０之间，当原型　和模型均用土体，流体均用水时，要达到相似的　

话，意味着模型的材料的强度非常低，颗粒非常　小。对于模拟土层来说，难以寻找这种材料，即使　

存在这种材料，其应力显现也难以观测，因此在　

１　ｇ的条件下的普通模型实验是无法进行的。所以　在本文的实验中，采用了和原型同样级配的砂土　进行相似替代。土的原型与模型的物理指标的无　

表１

　土的原型与模型的物理指标的无量纲乘积　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第３期　贾建强等砂土层破壁化学注浆扩散机理模拟实验研究　６７　

量纲乘积如表ｌ所示。　（２）浆液物理指标的相似性。　

如果改变浆液的粘度、密度等指标是比较困　

难的，同时改变其相关指标也会改变浆液的性能，　所以选取原型浆液作为实验浆液。　

（３）注浆过程的相似性。　在注浆过程中，注浆压力、浆液的流量、注浆　时长是注浆过程中三个重要的物理量。在确定使　用原型浆液、保证几何相似的情况下，注浆介质　

（砂土）的不形似性，三者只能保证注浆压力、注浆　

时长或注浆压力和注浆时长的相似性，本实验从　

注浆压力、注浆时长保证其相似性。　１．３边界条件的相似性　

本次试验的目的是研究砂土中化学浆液的扩　散机理，实验设计中满足几何相似的基础上给浆　

液足够的扩散空间，同时只考虑了土层的垂直应　力和孔隙水压力。　

２注浆实验模型研究　

２．１　工程地质条件的概化　结合徐、淮、济宁、兖州矿区具体的工程地质　

条件，在分析有关井壁破坏的工程地质、水文地质　的基础上，对地质注浆条件做以下概化：　

（１）厚松散含水层中粘土质层组与砂质层组　交互沉积，可划分为含水层组和隔水层组。松散层　

厚度一般在１００～２００ｍ。　（２）底含　失水是造成井壁破裂的主要原因，　

也是破壁注浆的主要位置。　（３）一般在底部含水地层其渗透性能不好，渗　

透系数Ｋ＝ｎ×１０４～ｎ×１０　ｃｍ／ｓ左右。自底部含　

水层接受水平方向远距离区域补给的可能极小，　

其水力联系主要来自下部的风化基岩段。　从以上三点出发，采用模型箱尺寸为１　２７０　ｍｍ×　５００　ｍｍ×１　０００　ｍｍ（ＬｘＢｘＨ），井筒直径为２７０　ｍｍ。　

假定的原型注浆含水层为底含砂层，砂层的渗透　系数为Ｋ＝ｎ×１０４～ｎ×１０　ｃｍ／ｓ左右，上部松散　层厚度为１６０　ｍ，静水压力为０．６　ＭＰａ。　

２．２模型材料及其制作　模型箱采用４　ｍｍ钢板焊接，在焊接后的焊　

缝处再使用防水材料进行防水处理，确保整个模　

型箱密闭不漏水状态。　在矿区对深厚土层的钻探难以获得适用于模　

型尺寸的粘土样和砂土样，通过对山东济宁、兖　州，安徽淮南、淮北，徐州大屯等矿区松散层的工　程地质特性的研究，选取有代表性的粘土和砂制　

成具有深厚松散层特点的模型土。粘性土和砂土　的物理性质如表２、３所示。　表２模型中粘性土的物理指标　粒度组成，％　■　ｋ鼓Ｎ／ｍ，含　萎　

０．ｏｏ５）（＜０．ｏｏ５）　

６４．２　３５．８　２．７２　１９．６￣２０．１　２ｌ～２７．２　３６．７　２３．６　ｌ３．１　

表３试样砂土的物理指标　

颗粒组成　砂粒　粉粒　粘粒孔　隙　２．－０．．５－０．２５＿＿＿．０．７４＿＿＿．Ｊ）ｏ０１－＜０．００５０　５　０２５　００７４　００１　０　５　比　．　．　．　．　．ｏｏ　…　渗　

ｆ　ｆ　（ｋＮ，ｍ　）（　）　比　重　

３实验过程　

３．１　实验步骤及实验模型示意图　实验模型示意图如图１所示。　

孔　

图１　浆液扩散机理实验模型示意图　（１）在实验模型箱内，装入事先级配好的砂　

子，分层夯实，砂子的厚度为７００　ｍｍ。　（２）在砂土的上部装入２００　ｍｍ的膨润土作　

为隔水粘土层，粘土中加入５％的生石灰，洒水使　

之固结完整。　（３）在粘土层上加载秤砣，使之在注浆口水平　处的土层上覆土压力达到２００　ｋＰａ左右。　

（４）密闭实验箱，待实验箱内的土体固结２　ｄ　

后，开始配制浆液，准备压注实验。压注甲液为脲　醛树脂，乙液为８％的草酸溶液，双液双注，脲醛　树脂的参数为：粘度１５　ｃｐ，浓度１０％，絮凝时间　

１　５　，凝胶时间３　１０”，比重１．１７。　

３－２实验内容和结果　本次实验注浆压力为０．３　ｋＰａ，针对饱和砂土　

含水层，一共做了３组实验，主要通过控制注浆时　间段（１　ｒａｉｎ、２　ｍｉｎ、３　ｒａｉｎ）来了解不同阶段浆液的　

扩散过程；对非饱和砂土含水层做了１组实验，时　间为３　ｍｉｎ。浆液固结体形状如图２所示。

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（１）饱和砂土含水层注浆１　ｒａｉｎ　（２）饱和砂土含水层注浆２　ｒａｉｎ　

（３）饱和砂土肯水层注浆３　ｒａｉｎ　（４）非饱和砂土含水层注浆　３　ｒａｉｎ　

０灌浆口　＿纯浆液同结体　口浆砂同结体　

图２浆液固结体形状　３．３扩散机理分析　通过分析注浆后形成的固结体形状，可以推　断：　

（１）浆液进入砂土体首先劈裂形成水平通道　（固结体里的纯化学浆液部分），然后在浆脉的周　

围发生挤密渗透作用，形成浆砂固结体。　（２）浆液的劈裂分为定向劈裂和非定向劈裂　

两部分，定向劈裂是指初始浆液液头的压力比较　大时，浆液不受周围土层应力的影响，强制性的顺　着初始压力方向劈裂，随着流动距离的增大，浆头　

压力的不断减小，液头压力减小到一定程度后开　始非定向劈裂，非定向劈裂的方向主要受土层应　

力的大小影响。从所示的固结体形状比较可得到：　

定向劈裂段主要发生在灌浆口的轴向水平方向，　

非定向劈裂由于砂土层的土是欠固结土，最小主　应力是水平应力，所以劈裂的方向是垂直于最小　主应力方向的，即沿浆脉垂直方向发展，如图２所　

示。但随着浆脉的发展，浆脉又开始受被动土压力　的影响，出现水平方向的浆脉，如图２（３）中的上　部浆脉呈水平方向。　

（３）比较图２（３）和图２（４），可以看出由于水　

压力的存在，有利于浆液的劈裂，图２（３）的劈裂　程度大于图２（４），但同时也抑制了浆液挤密渗透　

范围，图２（４）中的浆砂固结体远大于图２（３）。　（４）比较图２中４个固结体的形状，浆砂固结　体体积远远大于纯浆液固结体体积，说明渗透作　

用对化学注浆的效果起主要作用。　

（５）图２中的图２（１）、图２（２）、图２（３）浆脉　均出现在灌浆口的上部，而在图２（４）中的浆脉在　灌浆口的四个方向均出现浆脉，说明土中水的浮　

力对浆液的非定向劈裂起很大影响。　

４结论　

（１）在饱和砂土中破壁注浆，浆液的扩散形式　

既不是球面，也不是柱面散，而呈不规则扩散。　

（２）在饱和砂土层中破壁化学注浆，共经历３　个过程：水平劈裂、垂直劈裂、挤密渗透。浆液的射　

流作用（这种射流作用不同于在空气中的射流作　用，也不同于在水中的射流作用，其内在的机理还　在于进一步的研究）首先在水平方向发生劈裂，在　静水的浮力作用下，浆液开始优先在垂直方向，即　注浆源的上方寻找劈裂通道，同时在劈裂通道周　

围，当渗透压力超过临界渗透梯度后，发生浆液的　渗透作用。在劈裂的同时也伴随着浆液对土体发　

生挤密作用。即固结体大部分在注浆孔上部发展。　（３）化学浆液的渗透作用是浆砂固结体形成　

时发生的主要作用。由于深部土层的静水压力的　存在，减轻了土体的有效重量，从而更易产生劈裂　注浆，但同时减弱了浆液的渗透扩散程度。　

（４）在破壁化学注浆设计时，应加大注浆孔的　

排距、减小注浆孔的水平间距才能得到均匀的注　浆帷幕，节约注浆材料。　

［参考文献］　

［１］徐挺．相似理论与模型试验［Ｍ］．北京：中国农业机械　出版社，１９８２．　［２］许延春．矿区深厚复合含水松散层的工程、力学特性及　其应用【Ｄ］．徐州：中国矿业大学博士学位论文，２００２．　［３］李文平．深部土层失水变形￣￣－ｔ－与井壁相互作用试验　与理论研究［Ｊ］＿岩土工程学报，２０００，（４）：４７５－－４８０．　

［作者简介］　

贾建强（１９８２一），男，河南济源人，中国矿业大学资源　与地球科学学院硕士研究生，研究方向为工程地质。　『收稿日期：２００８—０２—２８］

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