定向區(qū)域注漿三維模擬試驗系統(tǒng)研制及應用

陳軍濤 ，朱 君 ，劉 磊 ，李文昕 ，李光強 ，張 毅 ，李 昊

（1.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院, 山東 青島 266590；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室, 北京 100013；3.山東科技大學礦業(yè)工程國家級試驗教學示范中心, 山東 青島 266590；4.山東能源新汶礦業(yè)集團有限責任公司 邱集煤礦, 山東 德州 251105）

0 引 言

煤炭作為我國能源安全壓艙石的主體地位短期內不會改變[1]。隨著我國煤炭資源開采逐步轉入深部和下組煤（后組煤），深部煤炭資源與地下水資源處于同一地質構造中[2]，礦井水害威脅更加嚴峻[3]。定向鉆孔注漿是實現(xiàn)水害區(qū)域超前治理的關鍵技術[4-9]。研究定向鉆孔注漿漿液的擴散規(guī)律[10-12]，探究漿液在含水層內的擴散特征及其效果，對實施礦井水害的高質量精準治理具有重要的理論和實際意義。

相較于現(xiàn)場注漿工業(yè)性試驗，注漿模擬試驗系統(tǒng)具有試驗簡單、成本低、可重復、觀測效果較好等優(yōu)點，受到國內外學者的高度重視，成為隧道、地鐵、礦山等地下工程施工的研究基礎和指導參考。李建等[13]、LI 等[14]和LIU 等[15]設計了可視化注漿模擬試驗系統(tǒng)，分別對注漿充填漿液擴散規(guī)律、漿液擴散過程的動態(tài)追蹤和漿液在隨機裂隙網(wǎng)絡中的擴散和遷移模式進行了研究。張嘉凡等[16]和XU 等[17]研制了動水裂隙注漿試驗系統(tǒng)，研究了水流和注漿速度對漿液固結體形態(tài)的影響和在動水條件下傾斜裂隙注漿的漿液擴散規(guī)律及封堵機理。趙紅芬[18]、鄭愷丹[19]、張偉杰等[20]研制了三維注漿系統(tǒng)，對滲透注漿、黏土介質注漿以及采動覆巖隔離注漿充填的漿液流動規(guī)律進行了研究。程樺等[21]、NIU 等[22]、張振峰[23]研制了劈裂注漿相關試驗裝置，對劈裂注漿起裂機制，劈裂注漿改性過程中的裂隙擴展特征、漿液滲流規(guī)律、注漿改性強化機理等問題開展了研究。章檀[24]、余永強等[25]和王曉晨等[26]基于自主研發(fā)的裂隙注漿模擬試驗平臺開展了裂隙注漿模擬試驗，研究了漿液在巖體裂隙中的擴散特性。李濤等[27]針對性研發(fā)了單孔放水試驗裝置及配套使用技術。在開展單孔放水試驗的基礎上，結合突水優(yōu)勢面理論提出了底板分類注漿技術。CHENG 等[28]開發(fā)了一種注漿試驗設備，通過一系列的注漿試驗，分析了注入壓力與注入速率的關系，研究了臨界滲透速度、裂縫起始壓力以及影響裂縫起始壓力的因素。

以上注漿模擬試驗系統(tǒng)，具有一定的先進性，但存在以下不足：①未針對定向鉆孔注漿做出功能性的設計，不能實現(xiàn)定向鉆孔條件下不同分支孔布設方式的注漿模擬試驗；②未能實現(xiàn)區(qū)域化注漿模擬；③不能提供高水壓動/靜水的模擬環(huán)境，無法進行高壓動/靜水環(huán)境下的漿液擴散規(guī)律研究。為克服以上研究的不足，實現(xiàn)定向鉆孔條件下不同分支孔布設方式的注漿模擬、區(qū)域化模擬、高水壓動水注漿模擬等功能，筆者研制了定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)，并運用該試驗系統(tǒng)開展了相關研究工作。

1 定向鉆孔注漿的三維模擬試驗系統(tǒng)

基于定向注漿現(xiàn)場治理礦井水害工程背景，自主研制了定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由4 個子系統(tǒng)組成：試驗臺系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、注水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 3D simulation test system for grouting in directional drilling

1.1 試驗臺系統(tǒng)

試驗臺整體密封，尺寸為150 cm×100 cm×50 cm（長×寬×高），頂部和側面為可拆卸結構，易于裝載和拆卸試驗材料。試驗臺側面由透明亞克力板制成，便于觀察漿液擴散狀況，如圖2a 所示；側板開有定向注漿口和注水孔，如圖2b 所示；內部注漿管采用?6 mmPV 材質軟管。試驗架鋼架結構，高30 cm，底部安裝滾輪，根據(jù)需求可移動或固定承載試驗臺。試驗臺設置有6 個注漿口，4 個注水孔。試驗臺主體能夠滿足注漿加固體開挖取樣的需求；兩側有供水口，透水口均勻分布在頂板上，保證注漿時有一定的排水壓力和加固效果的均一性。

圖2 可視化承載試驗臺Fig.2 Visual bearing test bench

1.2 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)包括空壓機、穩(wěn)壓調節(jié)器、高壓供水水泵、穩(wěn)壓儲水腔、壓力輸水管等。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多級可控的恒定水壓和動水條件?？諌簷C輸出高壓氣體并經穩(wěn)壓調節(jié)器在0～0.7 MPa 范圍內調整壓力。當進行漿液?水驅替試驗時，通過該子系統(tǒng)驅動承壓水注入到試驗臺內。

1.3 注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由空壓機、攪拌機、壓力桶、注漿管、壓力監(jiān)測儀等組成，注漿壓力最大為0.7 MPa，如圖3 所示?？諌簷C與限壓閥等組成供壓設備，攪拌機、壓力桶和壓力檢測儀等組成出漿設備，考慮漿液在桶內會隨時間發(fā)生沉降凝結，故在桶底部設計了渦輪旋槳，使得流出漿液的流變性質與試驗設計時保持一致。注漿口處安裝壓力表，滿足讀取壓力的需求。供壓設備不僅可以為注漿試驗的漿液提供恒定壓力，在進行漿液?水驅替試驗時，通過安裝在空壓機處的分流閥，還可為實現(xiàn)動水環(huán)境的模擬提供動水壓力。

圖3 注漿系統(tǒng)Fig.3 Grouting system

1.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)測設備是定向鉆孔注漿模擬試驗系統(tǒng)的重要部分。該系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集裝置及測控系統(tǒng)軟件等部分組成。數(shù)據(jù)采集器預埋在相似模擬試驗材料中，通過采集器收集注漿壓力、流量等數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)接嬎銠C，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集裝置Fig.4 Data acquisition device

2 系統(tǒng)工作原理

圖5 為定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)原理，通過注漿裝置向試驗臺主體提供所需的注漿條件，通過承壓水倉裝置向試驗臺主體提供所需的動水條件，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置動態(tài)監(jiān)測試驗過程及實現(xiàn)處理信息的功能，在試驗臺主體內鋪設預制有注漿支管的巖體相似材料。通過試驗臺與注漿裝置、承壓水倉裝置和數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置的相互配合，可研究漿液在導水、儲水空間的擴散、貯留機制，探究動水條件下和采用不同注漿分支孔布設方式下對目標巖層的注漿改造機理、以及漿液?水驅替擴散的規(guī)律。

圖5 定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)原理Fig.5 Schematic of directional drilling grouting 3D simulation test system

3 系統(tǒng)的主要特色

1）定向注漿模擬。該系統(tǒng)設計有多個平行分布于試驗臺兩側的注漿孔口，可模擬水平多分支定向注漿，可將注漿管設置為羽狀或扇形狀分布，實現(xiàn)定向鉆孔三維注漿的試驗模擬，如圖6 所示。

圖6 定向注漿分支孔類型Fig.6 Directional grouting branch hole type

2）漿液三維擴散。試驗臺尺寸為150 cm×100 cm×50 cm，高度尺寸滿足漿液三維擴散條件，另外還可布設不同空間位置的注漿分支孔，研究在不同空間位置布設注漿孔進行注漿后漿液的擴散情況和相互影響規(guī)律。

3）動/靜（高）水壓。試驗臺密封良好，可提供0.7 MPa 水壓，模擬高水壓環(huán)境。試驗臺設置有多個進水口和排水口，進水口可與注水系統(tǒng)連接，提供動水環(huán)境。也可將注水系統(tǒng)的空壓機等關閉，僅提供靜水環(huán)境。研究巖體中漿液?水驅替作用機制。

4）區(qū)域化試驗模擬?？蓪崿F(xiàn)注漿的區(qū)域化模擬，探究不同分支孔布設方式下的漿液擴散特性，為煤層開采前的水害區(qū)域化超前防治提供了研究思路。

4 驗證試驗

4.1 試驗設計

以黃河北煤田灰?guī)r含水層定向注漿治理為參考，模擬定向區(qū)域注漿，試驗注漿時間設置為3 min，土體滲透系數(shù)為1.2×10-2cm/s，土體孔隙率為0.25，漿液黏度與水黏度比為11.5，注漿孔半徑0.25 cm，注漿壓力0.2 MPa。選取鉆探裸孔長度因素設計了3組類別的底板含水層注漿模型試驗，研究在不同鉆探裸孔長度條件下漿液的擴散范圍，驗證試驗系統(tǒng)的可靠性和科學性。

4.2 模型鋪設

陳軍濤等[29]研制的深部新型流固耦合相似材料中，石蠟（54°）和凡士林作為膠結劑能夠滿足固體變形和滲透性相似2 個特殊條件。相似材料中砂粒間的間隙視作灰?guī)r中的裂隙和孔隙。材料配比見表1。

表1 模型鋪設材料配比Table 1 Proportioning of model paving materials

分別以200、250、300 mm 的定向分支裸孔為研究對象，將3 種不同長度的裸孔設為一組，共布設2 組，分別置于試驗臺兩側。2 個注漿裸孔之間的間隔為30 cm，每個注漿裸孔的傾角為60°，如圖7 所示。模型分2 cm 一層進行鋪設，在埋設制備鉆探裸孔的塑料棒后，由試驗臺橫向中間線向兩側依次鋪設相似材料并進行充分夯實。在鋪設到鉆探裸孔與注漿管交接處時，取出塑料棒，放回注漿管，預埋鉆探裸孔如圖8 和圖9 所示。試驗分3 組進行，見表2。注漿72 h 后，進行人工開挖，以先周圍后中間的順序，刨去無注漿結石體的砂礫石料。

表2 注漿裸孔試驗Table 2 Grouting open hole test

圖7 試驗模型三維視圖Fig.7 3D view of experimental model

圖8 預埋鉆探裸孔試驗Fig.8 Pre-buried drilling of bare holes

圖9 預埋鉆探裸孔平面Fig.9 Embedded drilling open hole

4.3 結果分析

4.3.1 應力分析

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，應力隨時間的變化趨勢如圖10 所示。

圖10 不同裸孔長度的應力變化趨勢Fig.10 Stress detection values of different open hole lengths

由圖10 可知，試驗初始階段應力基本不顯示，在5～10 s，應力開始呈階段性線性增長，且增長速度極快，后穩(wěn)定于70 kPa 左右，持續(xù)到試驗結束后，應力值直線下降。分析其原因，試驗時，模擬巖層中含有預置的鉆探裸孔，在注漿試驗的前10 s，漿液為裸孔填充階段，對周圍巖層產生壓力較小，故此階段無明顯的應力顯現(xiàn)。隨著注漿的進行，裸孔填充完成，漿液開始滲透進入模擬材料中，此時壓力值開始攀升，在升至70 kPa 左右時趨于穩(wěn)定。實際注漿工程中，鉆探裸孔會在灰?guī)r含水層中形成一條連通各巖溶孔隙的通路，漿液會以鉆探裸孔為中心，向四周擴散。注漿的初始階段，漿液經由注漿孔口開始擴散，但由于注漿時間較短，漿液擴散范圍較小，初始的注漿壓力變化不易檢測。

4.3.2 注漿結石體形態(tài)

在漿液持續(xù)向四圍擴散的過程中，其與砂層顆粒形成膠結，凝固后形成結石體，如圖11 所示。

圖11 結石體細節(jié)Fig.11 Details of stone body

不同長度的注漿鉆探裸孔注入同性的漿液，漿液擴散范圍的特點有所不同。在裸孔靠近注漿口的一端，3 種長度的鉆探裸孔注漿漿液擴散的距離分別為7、6、5.8 cm，在裸孔遠離注漿口的一端，3 種長度的鉆探裸孔注漿漿液擴散的距離分別為7、3.5、2.3 cm，漿液擴散的距離較靠近注漿口一端的數(shù)值差別較大。不同裸孔長度的注漿結石體如圖12 所示。

圖12 不同裸孔長度的注漿結石體Fig.12 Grouted stone bodies with different open hole lengths

4.3.3 漿液擴散特征

裸孔長度為200 mm 時，漿液在裸孔兩端的擴散距離均為7 cm，兩端擴散距離的差值為0，注漿結石體呈現(xiàn)以裸孔為中心軸的近圓柱體形狀。裸孔長度為250 mm 時，兩端擴散距離的差值為2.5 cm，裸孔末端的漿液擴散距離為注漿孔處擴散距離的60%，注漿結石體呈現(xiàn)以裸孔為中心軸的圓臺形狀。裸孔長度為300 mm 時，兩端擴散距離的差值為3.5 cm，裸孔末端的漿液擴散距離為注漿孔處擴散距離的40%，差值進一步變大，比注漿裸孔為250 mm 時降低了20%，注漿結石體也呈現(xiàn)以裸孔為中心軸的圓臺形狀。鉆探裸孔增加相同的長度，裸孔越長，漿液在裸孔兩端的擴散范圍的差值越大。由此可知，相同的注漿壓力下，裸孔越長，驅動漿液損失的壓力越多，到遠離注漿口處剩余的壓力越小，因此漿液擴散的距離越小。在增加相同長度的情況下，初始長度較長的裸孔壓力損失的更快。

3 種裸孔長度的注漿結果對比如圖13 所示，裸孔長度與結石體質量存在一定的關聯(lián)性。裸孔長度從200 mm 增加到250 mm 時，結石體質量增加了0.09 kg，裸孔長度從250 mm 增加到300 mm 時，結石體質量增加了0.03 kg，隨裸孔長度的增加，結石體的質量增加速率變緩。由此可知，在僅有裸孔長度為變量的情況下，漿液擴散范圍不會隨裸孔長度的線性增加而同步線性增加，隨著裸孔長度的增加，漿液在裸孔四周的巖體中擴散范圍變小，在實際應用中，應選取合適裸孔長度，選擇最經濟的裸孔長度進行注漿工程。

圖13 不同裸孔長度的注漿結果對比Fig.13 Comparison of grouting results with different bare hole lengths

4.3.4 漿液擴散對比

將物理試驗所用數(shù)據(jù)代入Maag 球形擴散公式[30]，結果見表3。

表3 試驗結果與理論計算結果Table 3 Test results and theoretical calculation results

由表3 可知，試驗中注漿孔口處的漿液擴散半徑小于理論計算數(shù)值，且裸孔長度增加時，試驗結果與理論計算結果的差值隨之增加。當注漿裸孔長度為200 mm 時，兩者差0.1 cm，試驗數(shù)值為理論計算數(shù)值的97.2%。當注漿裸孔長度為250 mm 時，兩者差0.6 cm，試驗數(shù)值為理論計算數(shù)值的83.3%。當注漿裸孔長度為300 mm 時，兩者差0.7 cm，試驗數(shù)值為理論計算數(shù)值的80.5%。分析其原因為Maag 公式未考慮注漿裸孔帶來的壓力損失，隨著注漿裸孔長度的增加，壓力損失增多，相同條件下，漿液擴散距離變小。當注漿裸孔較短時，漿液擴散半徑的試驗值與理論計算值相差僅為2.8%，試驗結果符合經典Maag 球形擴散理論規(guī)律，驗證了試驗系統(tǒng)的科學性。

5 結 論

1）自主研制了定向鉆孔注漿的三維模擬試驗系統(tǒng)，主要由試驗臺系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、注水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)4 部分組成，可實現(xiàn)模擬定向鉆孔注漿、多注漿孔多序次注漿、模擬動水環(huán)境注漿和被注巖體內部多種物理場信息的實時采集。

2）定向注漿三維模擬試驗系統(tǒng)具有定向鉆孔注漿模擬、漿液三維空間擴散、動?靜（高）水壓環(huán)境模擬、區(qū)域化注漿模擬等特點，可從大尺度、復雜環(huán)境等方面研究定向鉆孔注漿漿液擴散規(guī)律。

3）借助定向鉆孔注漿三維模擬試驗系統(tǒng)進行了不同裸孔長度漿液擴散模擬試驗。發(fā)現(xiàn)在僅有裸孔長度為變量的情況下，漿液擴散范圍不會隨裸孔長度的線性增加而同步線性增加。短裸孔的漿液結石體呈以鉆探裸孔為軸心的圓柱狀，長裸孔的漿液結石體呈以鉆探裸孔為軸心的圓臺狀。

4）將試驗所得漿液擴散半徑與Maag 公式計算所得漿液擴散半徑進行對比，注漿裸孔長度為200 mm時，兩數(shù)值僅相差2.8%，驗證了試驗系統(tǒng)的科學性與合理性。系統(tǒng)仍存在一些問題，如漿液擴散過程中的擴散位置定位及其可視化等，有待在以后的研究中解決。