深礦鉆孔帷幕灌漿的數(shù)值模擬與應用

李糧綱,唐平,何維山,張曉靜

(中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074)

深礦鉆孔帷幕灌漿的數(shù)值模擬與應用

李糧綱,唐平,何維山,張曉靜

(中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074)

深礦鉆孔帷幕灌漿受到鉆孔的垂直度、鉆孔灌漿壓力和擴散半徑等因素的影響,使得灌漿的技術難度加大,直接影響帷幕的形態(tài)及防滲效果。采用基于UDEC離散單元程序的數(shù)值模擬方法,對深孔帷幕灌漿壓力的擴散分布及漿液的流動擴散形態(tài)進行模擬,可以為深孔帷幕注漿工程設計和施工提供參考和指導。

鉆孔;帷幕灌漿;數(shù)值模擬

1 概述

深部礦藏的開采工程有可能由于過度抽排地下水使該區(qū)域地下水位嚴重下降,導致地表干旱,植被枯死,地面沉陷等環(huán)境問題。采用鉆孔帷幕灌漿技術,在地下形成一道防滲帷幕,把礦體開采區(qū)的地下水與周圍隔離開,這樣可以大幅度降低開采區(qū)的抽排水工程費用,同時較好的保護開采區(qū)周邊的地下水資源和水環(huán)境。因此隨著我國礦產(chǎn)資源開采步伐的不斷加快,鉆孔帷幕灌漿技術在礦山堵水防滲中的應用也越來越多。以邯鄲中關鐵礦帷幕灌漿工程為例,該工程設計灌漿孔平均深度為549.5 m,最大設計深度810.6 m,地下帷幕形成后預計可以每年節(jié)約抽排水費5000多萬元。同時較好的保護了當?shù)氐乃Y源和水環(huán)境。但是由于帷幕鉆孔的深度增加,帷幕灌漿的技術難度也就增大。鉆孔的垂直度、鉆孔灌漿壓力和擴散半徑等因素對帷幕的形態(tài)及防滲效果有直接關鍵的影響。

采用數(shù)值模擬的方法,對深孔帷幕灌漿壓力的擴散分布及漿液的流動擴散形態(tài)進行模擬,可以為深孔帷幕注漿工程設計和施工提供參考和指導。

2 數(shù)值模擬方法

UDEC(UniversalDistinct Element Code)是Cun2 dall博士和ITASCA公司開發(fā)的一個處理不連續(xù)介質的二維通用離散元程序。UDEC基于“拉格朗日”算法,能很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。UDEC采用顯示時間步進行運動方程的求解算法允許進行動態(tài)或靜態(tài)分析,用于模擬非連續(xù)介質(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動載作用下的響應。應用于巖土邊坡的漸進破壞研究及評價巖體的節(jié)理、裂隙、斷層、層面對地下工程和巖石基礎的影響,還能夠通過模型中的孔隙和不連續(xù)面的流體流動進行力學—流體耦合分析,該軟件是巖土工程界一種重要的數(shù)值研究工具。

3 帷幕灌漿模型設計與參數(shù)選取

3.1 模型設計

深孔帷幕灌漿的深度遠遠大于鉆孔(注漿孔)的孔徑,因此可以將其轉化為平面二維問題來研究漿液的擴散狀態(tài)。在已知巖體、裂隙、地下水、漿液及漿壓等的性能和參數(shù)條件下,對帷幕灌漿模型做如下假設:

(1)漿液為穩(wěn)定的非壓縮的賓漢姆流體,層流,裂隙內流動無粘時變性效應;

(2)巖塊滲透系數(shù)為0,漿液在巖塊間的裂隙內流動;

(3)裂隙粗糙等寬,為不連續(xù)介質,滿足庫侖滑動準則(coulomb model),而裂隙的初始變形為約束狀態(tài),在初始應力狀態(tài)下的裂隙寬度等于實測平均裂隙寬度值,其余參數(shù)根據(jù)地質勘察數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設置[1～3];

(4)不考慮重力的影響,巖體為各向同性彈性材料(elastic model),滿足平面地應力狀態(tài)(Sx= Sy),地應力大小根據(jù)深度和重力大小進行經(jīng)驗換算;

(5)模型中巖體主要裂隙用兩組間距為2.5 m的規(guī)則正交節(jié)理來模擬,在模型中央包含一個直徑75 mm的圓形鉆孔,如圖1所示。

圖1 UDEC帷幕灌漿數(shù)值模擬建模界面

在模型中距離注漿孔4 m處(hist 7、hist 8)、8 m處(hist 2、hist 3、hist 5、hist 6)及注漿孔處(hist 1、hist 4)設置了8個監(jiān)測點,以便于比較分析灌漿壓力擴散情況及便于驗證和比較漿液擴散距離。

3.2 模型基本參數(shù)選取

為了保證模型計算的準確度,模型基本參數(shù)均盡可能使用實鉆灌漿試驗獲得的數(shù)椐,對部分無法直接獲取的參數(shù),則通過相關公式由試驗參數(shù)換算求得[4,5]。灌漿模型所取用的各種參數(shù)值詳見表1～3。

表1 漿液參數(shù)

表2 巖體參數(shù)

表3 節(jié)理參數(shù)

由于建立模型時節(jié)理面為無水狀態(tài),但地下水靜水壓力對灌漿影響很大,模型必須考慮靜水壓力因素,因此,采用設計壓力減去靜水壓力后的壓力值,即有效設計壓力進行模擬計算(見表4)。

表4 設計壓力和有效設計壓力對比/MPa

4 數(shù)值模擬分析與實際應用

4.1 裂隙內灌漿壓力數(shù)值模擬

4.1.1 灌漿壓力擴散圖

采用UDEC對所建模型及所選參數(shù)進行分析計算,可得到不同孔內壓力下的裂隙內灌漿壓力擴散結果圖。圖中用線條的粗細代表裂隙內灌漿壓力的大小,線條的長度則代表灌漿壓力的擴散和影響范圍。當漿液水灰比為0.5時,灌漿壓力在巖體裂隙內的擴散分布情況如圖2～7所示。

圖2 P=3.2 MPa時裂隙灌漿壓力分布

圖3 P=5 MPa時裂隙灌漿壓力分布

圖4 P=6.5 MPa時裂隙灌漿壓力分布

圖5 P=7.0 MPa時裂隙灌漿壓力分布

圖6 P=7.5 MPa時裂隙灌漿壓力分布

4.1.2 灌漿壓力分析

比較圖2～6中不同孔內壓力下的裂隙內灌漿壓力擴散情況,可知:

(1)壓力的優(yōu)勢跟裂隙與注漿孔之間的位置關系有關。在所有的裂隙中,兩條與注漿孔相交的正交裂隙具有壓力優(yōu)勢。

圖7 hist 1、hist 2及hist 3處灌漿壓力曲線

(2)隨著距離的增大,灌漿壓力值呈逐漸減小的趨勢,距離鉆孔越遠,裂隙內的灌漿壓力也越小。

(3)裂隙內灌漿壓力的擴散分布范圍與灌漿壓力值成正比,灌漿壓力越大,灌漿壓力分布范圍越大。

(4)灌漿壓力從5.0 MPa增大到6.5 MPa時,壓力的擴散范圍無明顯增大,這說明灌漿壓力用于使巖體發(fā)生形變,在裂隙內的流動對巖體產(chǎn)生擠壓作用;當灌漿壓力增大到7.0MPa時,裂隙內的灌漿壓力分布范圍又隨著灌漿壓力的增大而增大,這說明巖體的形變已非常明顯,由于主控裂隙具有較大的壓力優(yōu)勢,其受擠壓變化幅度也相應是最大的。

比較分析圖7中不同監(jiān)測點處的灌漿壓力關系可以得出以下結論。

(1)灌漿壓力在裂隙內擴散具有時效性。灌漿開始時(t=0),孔內灌漿壓力為3.2 MPa,距離注漿孔8 m處的裂隙內的灌漿壓力為0,0.22 s后孔內壓力才擴散至該點處,這說明巖體裂隙內的灌漿壓力擴散的速度與灌漿壓力成正比,與擴散距離成反比。

(2)灌漿壓力在裂隙內存在消散效應。當孔內灌漿壓力為3.5 MPa時,距離注漿孔8 m處的裂隙內的灌漿壓力(hist 6)為0.35 MPa左右,僅為孔內壓力的1/10。

(3)對巖體裂隙內某一處而言,其灌漿壓力的增幅逐漸減小,說明灌漿開始階段,漿液在裂隙中的灌漿機理為滲透灌漿,未對裂隙產(chǎn)生較大的擠壓作用而引發(fā)裂隙及巖體發(fā)生形變,當灌漿壓力增大到一定值后,漿液對巖體和裂隙產(chǎn)生擠壓、甚至劈裂作用,在這個過程中觸發(fā)各相應的灌漿效應而引發(fā)裂隙變形,由于受到變形巖體的反擠壓作用力,裂隙中的灌漿壓力增幅呈遞減趨勢。

4.2 裂隙內漿液擴散數(shù)值模擬

4.2.1 漿液流動擴散圖

當漿液水灰比為0.5時,漿液在巖體裂隙內的流動擴散分布情況如圖8～12所示。圖中采用線條的粗細代表漿液流量的大小,而線條的長短則代表漿液擴散距離。

圖8 P=3.2 MPa時漿液流動擴散圖

圖9 P=5.0 MPa時漿液流動擴散圖

圖10 P=6.5 MPa時漿液流動擴散圖

圖11 P=7.5 MPa時漿液流動擴散圖

4.2.2 漿液擴散分析

分析圖8～12可知:

(1)在所有的裂隙中,兩條與注漿孔相交的正交裂隙具有絕對的流動擴散優(yōu)勢,漿液在其內部的擴散流動要明顯優(yōu)于其他裂隙;

圖12 P=8.0 MPa時漿液流動擴散圖

(2)受前述的主控裂隙內的灌漿壓力優(yōu)勢影響,漿液在兩條正交主控裂隙的擴散優(yōu)勢非常明顯,漿液絕大部分沿兩條主控裂隙呈線性流動擴散;

(3)漿液的擴散形態(tài)與灌漿壓力的擴散形態(tài)不一致,前者呈線性,而后者則呈似圓狀,二者擴散形態(tài)不一致的原因為:漿液的流動跟灌漿壓力和裂隙寬度有關,而裂隙內灌漿壓力的擴散則受灌漿壓力及裂隙、巖體的受力狀態(tài)控制;

(4)漿液在裂隙中的擴散距離與灌漿壓力成正比,隨著灌漿壓力的增大,漿液在裂隙中的擴散距離也相應變大。

4.3 灌漿試驗與理論計算對比分析

據(jù)數(shù)值分析結果圖8可知,灌漿壓力為3.2 MPa的狀態(tài)下,漿液的擴散距離已接近8 m,當灌漿壓力增為3.5 MPa時,漿液擴散距離超過8 m。隨著壓力的增大,在4.0～6.0MPa壓力的作用下漿液均沿主控裂隙面擴散流動,距離超過10 m。水灰比為0.5時,不同方法所得的漿液擴散半徑值列于表5。

表5 水灰比為0.5時各方法所得的漿液擴散半徑值比較

根據(jù)以上分析,可以推斷:

(1)中關鐵礦深孔帷幕灌漿施工中,選用試驗所采用的灌漿壓力值,可以使?jié){液擴散半徑達到8 m,即可以采用12 m的設計孔距進行灌漿施工;

(2)從對水灰比為0.5的漿液擴散流動分布的模擬可看出,數(shù)值模擬結果與前期灌漿試驗值基本相符,中關鐵礦灌漿采用的漿液最小水灰比為0.5,可推斷在相同的灌漿壓力下,水灰比大于0.5的漿液其擴散半徑將大于8 m的試驗值。

但是,在數(shù)值模型中,漿液沿兩主控裂隙表現(xiàn)為線性擴散流動為主,這與實際情況有出入[6],在實際的灌漿過程中,漿液在巖體裂隙空間中的流動形態(tài)是非常復雜的。此外在灌漿模型中將裂隙簡化為等寬、等間距的規(guī)則形態(tài),這也使數(shù)值分析與實際情況產(chǎn)生誤差。

5 結論

(1)帷幕灌漿數(shù)值模型能較好的對灌漿壓力擴散分布及漿液的流動擴散形態(tài)進行模擬,直觀形象的將深孔帷幕灌漿的壓力擴散、漿液擴散規(guī)律反映出來,對帷幕灌漿試驗結果進行數(shù)值分析;

(2)根據(jù)礦區(qū)地質條件與前期試驗所獲取的各項參數(shù)建立帷幕灌漿數(shù)值模型,可以對各階段、各分區(qū)、各鉆孔的灌漿效果進行對比分析,可以為下一階段的灌漿試驗或施工確定合理的灌漿參數(shù)提供指導、為類似的灌漿工程提供建模初選參數(shù)和參考計算,因此,數(shù)值模擬方法在帷幕灌漿的設計、試驗及施工當中具有非常重要的理論意義;

(3)由于深孔灌漿的地質水文條件及漿液性能的多變性和復雜性,目前灌漿理論計算公式受諸多理想假設條件的限制,其計算準確性與工程適用性受到較大影響。深孔帷幕灌漿機理有待開展進一步深入的研究。

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Numerical Simulation of Curta in Grouting in Deep Borehole and the Application

LI Liang-gang,TANG Ping,HE Wei-shan,ZHANG Xiao-jing(Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China)

Influenced by the facts of verticality of the borehole,grouting pressure and diffusion radius,technical difficulty is increased in grouting,which directly influences the curtain shape and seepage control effect.Based on the numerical simulation method of Universal Distinct Element Code,pressure distribution and grout diffusion in deep hole are s imulated, which can give reference and guidance to the design and construction for curtain grouting.

borehole;curtain grouting;numerical simulation

TU472

A

1672-7428(2010)12-0036-05

2010-09-10

李糧綱(1961-),男(漢族),湖南長沙人,中國地質大學(武漢)教授,地質工程專業(yè),博士(后),從事地質工程教學與科研工作,湖北省武漢市魯磨路,lilog@cug.edu.cn。