定向注浆不同注浆压力下浆液扩散特性研究

王永宝 张 毅 窦江海

（1.山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿，山东 德州 251105；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；4.青岛市黄岛区发展研究中心，山东 青岛 266400）

随着黄河北煤田进入下组煤开采阶段，位于太原组下部的11 煤层受到顶板四灰、五灰和底板徐灰、奥灰岩溶承压水的威胁，顶底板含水层彼此连通且导水通道不明。定向注浆改造含水层是解决黄河北煤田突水威胁的有效办法[1]，具有主动防治、安全、高效的优势，特别是定向钻孔注浆在裂隙及隐蔽导水通道填充和驱水堵水方面得到了广泛应用，对地下工程的正常运营及稳定具有重大意义[2]。

1 水平分支孔注浆防治水害机理

地面定向顺层钻进注浆主要通过地面近水平钻孔单元在合适位置进入未采段煤层的顶底板灰岩，顺层穿越，探查灰岩裂隙及隐蔽导水通道，并进行高压注浆封堵。每个钻孔单元采取一个主孔与多个分支孔布置，注浆钻孔分支孔方位及间距布设的主要依据为：（1）分支孔应尽可能与断层、褶皱轴部迹线大角度相交，钻探技术可行的前提下尽可能多地穿过断层和褶皱。（2）为保证注浆能够全面充填封堵灰岩含水层及断层破碎带，分支孔间距不得大于2 倍的扩散半径，同时应综合考虑钻孔高效利用和经济合理性原则，孔间距应大于单孔注浆浆液扩散范围。（3）钻孔注浆扩散范围应尽量覆盖整个治理区域。在项目具体实施过程中，应根据施工效果对钻孔间距进行动态调整。

2 注浆模拟试验

2.1 模拟条件

本文基于模拟方便和模拟效果考虑，以点注浆方式近似模拟实际注浆的矩+半圆形或柱+半圆体注浆过程。浆液水灰比取为1.55:1，注浆压力可调控，一般不小于8 MPa（含水层水压的1.5～2 倍）。利用现场钻探获得的岩芯，对已获得灰岩区域的裂隙宽度进行均值化处理，作为整个含水层裂隙的模拟宽度。

2.2 模型建立

注浆浆液在岩体裂隙内扩散时，一般视为层流，且浆液流动遵循达西定律。当浆液为牛顿流体时，国内外学者得出了一系列的注浆理论，如Maag 球形扩散理论、Raffle 球形扩散理论、柱形扩散理论、Baker 公式、裂隙岩体注浆理论等[3-6]。

基于两相达西定律的渗流模型，作如下假设：（1）注浆治理的灰岩地层为均匀、不可压缩的各向同性介质；（2）裂隙均匀分布，灰岩地层渗透系数为定值；（3）含水层为静水条件，注浆浆液看作是不可压缩的各项均质的各项同性流体，在介质中的渗流扩散符合Darcy 定律；（4）浆液在注浆过程中流型不变；（5）忽略浆液渗入裂隙时岩体的损失和重力影响。

模型采用的公式为Darcy 两相流假设方程：

式中：s1为水的体积分数，1；s2为浆液的体积分数，1。其他字符含义见表1。

表1 数值模拟相关参数表

入口边界分为地下动水渗流入口条件和注浆体入口条件，此处的入口条件主要为注浆压力和浆液饱和度，出口条件为含水层水压。模型研究区除去入口与出口边界，其他边界条件设为无通量边界，满足无滑移条件。第一分支第一个注浆孔网格剖分如图1 所示，单元格总数为425 339 个，截线截取的位置与分支钻孔的方向垂直，以注浆孔口为中点的80 m 直线。

图1 单孔网格剖分图

3 试验结果分析

3.1 单孔浆液扩散特性

（1）不同时间浆液扩散特性

注浆压力为8 MPa 时，浆液均呈现同心圆向外扩散形态，如图2 所示。注浆时间小于20 min 时，为初始注浆阶段，浆液扩散范围在15 m 左右，但浆液体积分数在岩溶裂隙中稀释，呈现浆水混合状态；注浆时间为30 min 时，由于注浆压力传递限制，浆液扩散范围明显减小，仅增加3 m 左右，但浆液体积分数的上升使得浆液扩散区域的岩体强度得到了充分加固；注浆时间为40 min 时，注入浆液体积分数持续上升并达到最大，浆液扩散范围只增加了1 m 左右，如图3 所示。当注浆时间超过40 min后，由于注浆压力传递受阻和距离太远，导致浆液无法较大程度地向外扩散。因此，现场注浆时间应在30～ 40 min 之间，此时注入岩溶裂隙中的浆液体积分数达到最高且浆液扩散范围相对较大，既达到了注浆效果，又节约了注浆成本。

图2 注浆40 min 时的浆液扩散形态图

图3 不同时间单孔浆液扩散曲线图

（2）不同压力下的浆液扩散特性

在孔隙率、渗透系数、水压、浆液体积分数及注浆时间均相同的条件下，不同注浆压力会形成不同的浆液扩散效果。注浆时间相同时，不同注浆压力下浆液呈现同心圆向外扩散的迹象，如图4 和图5 所示。由图4 和图5 可知，浆液体积分数小于0.6是浆水混合区域，宽度约为1～3 m。注浆时间为40 min、注浆压力为11 MPa 时，浆液注入岩溶裂隙后扩散范围明显大于8 MPa 略小于14 MPa 的浆液扩散区域；注浆压力为11 MPa 时注入岩溶裂隙中的浆液体积分数稍微低于8 MPa 和14 MPa 浆液体积分数。

图4 注浆压力11 MPa 的浆液扩散形态（注浆时间为40 min）

图5 不同注浆压力下浆液扩散曲线图

根据前期学者的研究成果，注浆压力过大，会导致岩溶裂隙劈裂，产生更多的裂隙和含水层导水通道[7]。在注浆成本和注浆效果等多重考虑下，注浆压力为11 MPa 时基本能够填充含水层岩溶裂隙及隐蔽导水通道，保障煤炭资源的安全开采。

3.2 同一分支多注浆孔扩散形态及规律

再进行注浆模拟的过程，即前段区域注浆完成后，注浆区域的岩层强度大于含水层水压，在对下一个注浆点进行模拟研究前，设置注浆完成区域的实际强度。由3.1 可知，注浆压力11 MPa 且持续注浆40 min 后，浆液扩散半径约为23 m，所以在对第二个注浆孔分析时，将已完成的注浆区域设置为半径23 m 的圆，设置圆的边界为无通量边界，以达到跨边界速度和压力不连续的要求。

图6 单分支第二个注浆孔示意图

由图6 浆液扩散形态可知，第二注浆孔注浆过程中，浆液扩散范围在与已注浆区域接近时会受到阻碍，无法向该区域继续扩散，两侧因没有阻碍而继续扩散，使得第二注浆孔的浆液扩散形态呈现扁平的“W”状。

4 结论

（1）基于黄河北煤田的水文地质条件和注浆工程实际，当含水层水压为4.3 MPa、注浆压力为8 MPa 时，最佳的注浆时间为40 min，既能达到封堵岩溶裂隙和隐蔽导水通道的效果，又节约了注浆成本。

（2）根据已确定的时间、浆液配比等参数，从注浆治理区域和经济角度，分别对8 MPa、11 MPa、14 MPa 条件下的浆液扩散范围、达西速度场、扩散形态进行了研究，可知注浆压力为11 MPa 最为合适。

（3）多分支孔注浆时，已注浆区域影响相邻注浆孔的注浆压力和浆液扩散。靠近已注浆侧浆液扩散的达西速度明显减小，浆水混合区较窄，浆液扩散形态较大程度上受到已注浆区域的限制。