深孔分段注漿的數(shù)值模擬研究

徐 華，吳 壯，王 劉

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

注漿錨索作為巷道固定在深部巖層，為張拉錨桿產(chǎn)生可靠的注漿工具，對(duì)提高圍巖自承能力及加固效果有著不可替代的作用。隨著煤礦開采深度、廣度和強(qiáng)度的不斷增加，出現(xiàn)了大量復(fù)雜困難巷道。許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，周凱軍、谷拴成、李晨等[1-4]探討了漿液在裂隙中的擴(kuò)散方式，分析了純水泥漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力和水灰比之間的聯(lián)系；李萬里[5]通過Comsol Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立模型來模擬在靜水條件下改變水灰比、裂隙張開度、注漿壓力等參數(shù)漿液擴(kuò)散規(guī)律的變化。本文研究了深孔分段注漿新工藝，通過改變注漿錨索構(gòu)件組成、增加特殊裝置設(shè)計(jì)出一種新型分段注漿錨索，實(shí)現(xiàn)由深到淺分段注漿；并采用CFD方法對(duì)分段注漿錨索漿液在土壤中擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 新型分段注漿錨索的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 分段注漿錨索的工作原理

分段式中空注漿錨索結(jié)構(gòu)如圖1所示。在分段式中空注漿錨索中，將注漿區(qū)域分為A、B兩部分，索體1側(cè)壁的通孔7內(nèi)設(shè)有活塞11，B區(qū)域活塞11側(cè)壁的角度小于A區(qū)域活塞10側(cè)壁的角度，錨索內(nèi)部的壓力加大后，由于活塞側(cè)壁角度的緣故，B區(qū)域活塞側(cè)壁角度小的會(huì)被優(yōu)先壓縮變形，使活塞沖出，經(jīng)過一段時(shí)間后，繼續(xù)加大壓力，使A區(qū)域的活塞10能夠沖出，從而實(shí)現(xiàn)分段注漿。

1-索體;2-尾體螺母;3-墊板;4-巖石;5-塑料玻璃套管;6-固定框;7-通孔;8-小細(xì)管;9-鉆孔;10,11-活塞

在注漿管上封孔塞的外側(cè)上套有塑料玻璃套管5，塑料玻璃套管一側(cè)套裝有固定框6。在固定框兩側(cè)安裝兩只相應(yīng)的小細(xì)管8，其直徑為4 mm或根據(jù)錨索結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，小細(xì)管與固定框相連，密封良好，將一細(xì)管注入化學(xué)漿液a，另一細(xì)管注入化學(xué)漿液b，兩種化學(xué)漿液在固定框6內(nèi)混合，化學(xué)漿液隨后膨脹，實(shí)現(xiàn)A、B分段隔離。

1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

該項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：中間分段隔離技術(shù)有效地解決了以往巷道淺表注漿易優(yōu)先滲入,造成淺表跑漿、深部注漿效率低等工程難題,提高了注漿滲入,確保有效改性破裂圍巖，顯著提高了支護(hù)效果;定壓密封注漿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了下段達(dá)到額定注漿壓力后上段開始注漿。

2 數(shù)值模擬

2.1 滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合方程

基于流固耦合理論基礎(chǔ)原理Darcy定律、固體介質(zhì)變形的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及滲流應(yīng)變-應(yīng)力場(chǎng)界面耦合構(gòu)建方程。

2.2 數(shù)值模擬流程

2.2.1 基本假設(shè)

(1) 將漿液視為各向同性且不可壓縮的均質(zhì)流體，且為層流流動(dòng)，符合連續(xù)方程。

(2) 不考慮重力影響和靜水壓力的影響。

2.2.2 分段注漿的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

土壤模型是一個(gè)6 m×6 m×8 m的長(zhǎng)方體，從高的中間位置4 m處將土壤模型分為兩部分，上部分是孔隙率為0.8的土壤模型，下部分是孔隙率為0.4的土壤模型，分段注漿錨索位于土壤一側(cè)的中間位置，注漿管半徑設(shè)為0.1 m。在注漿泵壓的作用下，漿液通過分段注漿錨索，優(yōu)先進(jìn)入土壤底層擴(kuò)散，在注漿一段時(shí)間后，由于分段注漿的緣故，底部進(jìn)入封漿狀態(tài)，使?jié){液再進(jìn)入土壤上部擴(kuò)散。

2.2.3 網(wǎng)格與時(shí)間步長(zhǎng)的無關(guān)性檢驗(yàn)

為保證科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行了無關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證 圖3 時(shí)間步長(zhǎng)無關(guān)性驗(yàn)證 圖4 注漿擴(kuò)散半徑分布

由圖2圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過15萬時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，所以網(wǎng)格劃分的整體尺寸為125 mm，單元格數(shù)目為152 384，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為161 005；當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)超過6時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，而時(shí)間步長(zhǎng)為6時(shí)，既保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又大大縮減了計(jì)算時(shí)間，最后確定的時(shí)間步長(zhǎng)為6。

2.3 數(shù)值模擬分析

得到的模擬結(jié)果如圖4所示，孔隙率與注漿半徑擴(kuò)散數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 孔隙率與注漿半徑擴(kuò)散數(shù)據(jù)

下面分析注漿擴(kuò)散半徑增大的原因。采用傳統(tǒng)的注漿方式,由于巖層淺部的裂隙寬度大，深部裂隙寬度小，漿液會(huì)優(yōu)先進(jìn)入淺部，且壓力施加在整個(gè)注漿孔的深度上，壓力會(huì)隨著注漿孔的深度和裂隙寬度增加產(chǎn)生明顯的減小，這會(huì)進(jìn)一步削弱深部注漿的范圍，導(dǎo)致注漿效果不理想；而分段注漿以裂隙寬度為分段基礎(chǔ)，盡可能使巖體裂隙寬度維持一個(gè)合適的范圍，減小因裂隙寬度導(dǎo)致漿液擴(kuò)散不均勻，同時(shí)每次施加壓力的范圍也有了明顯的減小，這樣使注漿效果有了極大的改善。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用分段注漿錨索的時(shí)候，漿液在注漿壓力的作用下擴(kuò)散半徑明顯增大，在注漿底部孔隙率為0.4的土壤中，注漿半徑為1.818 m，相對(duì)于傳統(tǒng)1.081 m的注漿方式，其擴(kuò)散半徑增大了0.737 m，增加了68.2%；在注漿上部孔隙率為0.8的土壤中，注漿半徑為2.624 m，相對(duì)于傳統(tǒng)1.932 m的注漿方式，其擴(kuò)散半徑增大了0.692 m，增加了35.8%。

注漿擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可知:在孔隙率為0.4時(shí)，從0～200 s內(nèi)，注漿半徑明顯增大，在200 s時(shí)，注漿半徑為1.685 m,此時(shí)漿液在裂隙填充基本完成，向小縫隙滲透，因此從200 s～400 s內(nèi)，注漿范圍依舊在增大，但是增大的趨勢(shì)明顯變慢；在孔隙率為0.8時(shí)，從0～300 s，注漿半徑明顯增大，在300 s時(shí)，注漿半徑為2.483 m,此時(shí)漿液在裂隙填充基本完成，向小縫隙滲透，因此從300 s～400 s內(nèi)，注漿范圍依舊在增大，但是增大的趨勢(shì)明顯變慢。

圖5 注漿擴(kuò)散半徑隨時(shí)間變化曲線

壓力隨擴(kuò)散半徑的變化情況如圖6所示。由圖6可知:孔隙率為0.4或0.8，兩者的壓力隨漿液的擴(kuò)散半徑變化趨勢(shì)幾乎相同,注漿壓力以注漿孔軸為中心沿著擴(kuò)散路徑逐漸衰減;在靠近注漿口的位置壓力衰減最快，在遠(yuǎn)離注漿口的位置壓力衰減緩慢，存在明顯的強(qiáng)衰減區(qū)和弱衰減區(qū);在距注漿口0～0.4 m的范圍內(nèi)，注漿壓力沿著漿液擴(kuò)散路徑衰減較為明顯，距注漿口大于0.4 m后，注漿壓力沿著漿液擴(kuò)散路徑衰減緩慢。

圖6 壓力隨擴(kuò)散半徑變化曲線

3 結(jié)論

(1) 通過改變注漿錨索構(gòu)件組成、增加特殊技術(shù)裝置等設(shè)計(jì)出一種新的分段注漿錨索，實(shí)現(xiàn)了深孔由深到淺分段注漿，相對(duì)于傳統(tǒng)的深淺孔注漿方式，大大節(jié)約了時(shí)間。

(2) 通過數(shù)值仿真，使用分段注漿錨索，漿液擴(kuò)散半徑明顯增大，在注漿底部孔隙率為0.4的土壤中，擴(kuò)散半徑增大了0.737 m，增加了68.2%；在注漿上部孔隙率為0.8的土壤中，擴(kuò)散半徑增大了0.692 m，增加了35.8%。由此可見，分段注漿的注漿效果更為優(yōu)越。