摘要
多分支水平井注浆堵水技术在矿井水害治理工程中应用很广泛,但深部地层注浆扩散范围缺乏定量表征方法,分支井水平间距、埋深设计因此缺乏理论依据。本文针对多分支水平井渗透注浆工艺,满足考虑岩层渗透率各向异性和水泥浆液、孔隙水两相渗流行为,构建了渗透注浆扩散的数值模型和简化的扩散半径理论模型,并结合实际工程案例开展了渗透注浆浆液扩散数值模拟工作。结果表明,各向异性地层中渗透浆液扩散范围呈现椭圆形,椭圆长轴沿着渗透率较大的顺层方向,椭圆短轴则垂直于层理面方向,为分支井间距、埋深设计和渗透注浆关键参数优化提供了参考依据。
两淮煤田在开采过程中受到了煤层下部奥陶系岩溶水害的威
国内外学者针对渗透注浆技术,从理论和试验两方面开展了研究,主要是为了明确浆液扩散范围、注浆压力、地层渗透率、注浆液量、注浆排量、浆液流变性之间的规律,形成了多个渗透注浆扩散理论模型,包括球形扩散模
鉴于此,本文针对多分支水平井渗透注浆工艺,考虑岩层渗透率各向异性和水泥浆液-孔隙水两相渗流行为,构建了渗透注浆扩散数值模型和简化的扩散半径理论模型,并针对两淮煤田水害防治问题开展了数值模拟研究,为多分支井间距设计、埋深设计和注浆关键参数优化提供了参考依据。
为了构建渗透注浆两相流数学模型,需要作出以下基本假设:(1)裂缝、孔隙发育的底板灰岩地层等效为各向异性孔隙介质,水泥浆液在底板灰岩中的渗流为多孔介质达西渗流;(2)水泥浆液和原孔隙水为两种相态的流体介质,且都为均质的不可压缩的牛顿流体,忽略浆水相交界面水对浆液的稀释作用;(3)底板灰岩中原始裂隙为水饱和状态,水泥浆液注入后为两相共存;(4)分支井眼长达数百米,故假设井眼轴线横截面上水泥浆液渗流满足二维径向渗流,如

图1 注浆井筒与浆液扩散区域示意
Fig.1 Sketch of grouting borehole and diffusion area
水泥浆液在岩层中的运动过程实质上是浆液驱替地下水并填充多孔介质中裂缝、孔隙和断层带等导水通道的过程。孔隙水在底板灰岩中流动时的质量守恒方程为:
(1) |
式中:——x和y方向上孔隙中水相渗流速度,m/s;——x和y方向上孔隙中水泥浆液渗流速度,m/s;——孔隙中水泥浆液和水的密度,kg/
在不可压缩流体体积法中,浆水流体的混合密度会随运动位置的变化而变化:
(2) |
混合液密度和粘度可为水泥浆液与孔隙水的加权平均:
(3) |
式中:——水的粘度,Pa·s;——水泥浆液的粘度,Pa·s;——混合液的密度,kg/
根据广义达西定律,流体渗流速度为:
(4) |
式中:——岩体在x方向和与y方向的渗透率,
孔隙水和水泥浆液在底板灰岩中流动时速度为:
(5) |
孔隙水和水泥浆液两相饱和度之和为1。初始条件:
(6) |
式中:——灰岩地层原始孔隙压力,Pa。
边界条件:
(7) |
式中:q——单位长度井眼上的注浆排量,
两淮煤田某煤矿地层渗透率变化范围为1×1
由于太灰含水层和奥灰顶板渗透率、孔隙率变化较大,且实际注浆过程中水灰比和注浆压力也是一个范围,故设定一系列参数进行注浆数值模拟。在各向同性渗透率的情况下,注浆24 h的扩散半径数值解和简化的理论解如
编号 | 孔隙率 | 渗透率/ D | 注浆压力/MPa | 水灰比 | 单位长度井段上累计注浆量/ | 浆液扩散半径(数值解)/m | 浆液扩散半径(理论解)/m | 相对误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.01 | 10 | 15 | 1.3 | 45.46 | 38.8 | 38.0 | 1.96 |
2 | 0.03 | 10 | 15 | 1.3 | 49.75 | 23.2 | 23.0 | 0.87 |
3 | 0.05 | 10 | 15 | 1.3 | 51.85 | 18.28 | 18.16 | 0.66 |
4 | 0.03 | 1 | 15 | 1.3 | 6.4 | 7.88 | 8.0 | 2.03 |
5 | 0.03 | 5 | 15 | 1.3 | 26.33 | 16.78 | 16.7 | 0.40 |
6 | 0.03 | 1 | 12.5 | 1.3 | 5.18 | 7.28 | 7.40 | 0.48 |
7 | 0.03 | 1 | 10 | 1.3 | 4.22 | 6.48 | 6.68 | 0.13 |
8 | 0.03 | 1 | 15 | 1.2 | 5.16 | 7.28 | 7.38 | 1.54 |
9 | 0.03 | 1 | 15 | 1.4 | 7.12 | 8.57 | 8.68 | 1.17 |
根据

图2 各向同性地层注浆孔围岩孔隙水和水泥浆液饱和度分布
Fig.2 Saturation distribution of pore water and cement grouting around the borehole in the isotropic formation

图3 注浆过程中孔隙压力和饱和度随注浆时间的变化规律(表1中第1行案例)
Fig.3 Change law of pore pressure and pore water saturation with time in the process of cement grouting
对比分析
在各向异性渗透率的情况下,注浆24 h的浆液水平扩散半径数值解和简化的理论解如
编号 | 孔隙率 | 水平渗透率/D、垂向渗透率/D | 注浆压力/ MPa | 水灰比 | 单位长度井段上累计注浆量/ | 浆液水平扩散半径(数值解)/m | 浆液水平扩散半径(理论解)/m | 相对误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.03 | 100、1 | 15 | 1.3 | 47.75 | 75.4 | 71.17 | 5.94 |
2 | 0.05 | 100、1 | 15 | 1.3 | 52.15 | 59.4 | 57.61 | 3.10 |
3 | 0.07 | 100、1 | 15 | 1.3 | 55.45 | 52.7 | 50.21 | 4.96 |
4 | 0.05 | 10、0.1 | 15 | 1.3 | 6.5 | 22.7 | 20.32 | 11.71 |
5 | 0.05 | 25、1 | 15 | 1.3 | 29.5 | 32.4 | 30.63 | 5.78 |
6 | 0.05 | 100、1 | 12.5 | 1.3 | 44.15 | 55.7 | 53.01 | 5.07 |
7 | 0.05 | 100、1 | 10 | 1.3 | 36.50 | 51.4 | 48.19 | 6.66 |
8 | 0.05 | 100、1 | 15 | 1.2 | 41.65 | 52.5 | 51.48 | 2.0 |
9 | 0.05 | 100、1 | 15 | 1.4 | 63.04 | 64.2 | 63.34 | 1.4 |
在各向异性渗透率的地层中注浆,水泥浆液扩散区域呈现椭圆形分布,水泥浆液和原孔隙水饱和度分布如

图4 各向异性地层注浆时饱和度分布
Fig.4 Saturation distribution around the borehole when grouting in anisotropic formation
(1)本文针对多分支水平井渗透注浆工艺,考虑岩层渗透率各向异性和浆液、孔隙水两相渗流行为,构建了多分支水平井渗透注浆扩散范围的数值模型和简化的理论模型。在各向异性渗透率的地层中注浆时,在垂直于井眼轴线的截面上,水泥浆液扩散区域呈现椭圆形分布。
(2)分支井间距的确定应依据该地区地层条件下注浆浆液的扩散范围,分支井水平段的间距可设计为不大于浆液水平扩散半径的2倍。为了防止巷道和工作面冒浆,分支井水平段距离目标煤层底板垂向距离建议不小于浆液垂向扩散半径。
(3)在保证浆液凝固后能够有效封固地层的前提下,适当提高水灰比可以提高注浆效率。
参考文献(References)
解保磊.淮南煤田新集煤矿水平多分支定向注浆防治水技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2021. [百度学术]
XIE Baolei. Study on the technology of multi‑branch directional grouting by multi‑branch horizontal well for water control in Xinji Coal Mine, Huainan Coalfield[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2021. [百度学术]
胡焮彭.煤层底板注浆加固多分支水平井钻井工艺技术研究[D].北京:煤炭科学研究总院, 2020. [百度学术]
HU Xinpeng. Research on drilling technology of multilateral horizontal reinforced by grouting in coal seam floor[D]. Beijing: China Coal Research Institute, 2020. [百度学术]
赵伟,张跃恒,董振国,等.敏东一矿软岩区地下水注浆治理技术及应用研究[J].钻探工程,2021,48(6):87-94. [百度学术]
ZHAO Wei, ZHANG Yueheng, DONG Zhenguo, et al. Application research on groundwater grouting treatment technology in the soft rock area of Mindong No.1 Mine[J]. Drilling Engineering, 2021,48(6):87-94. [百度学术]
秦鹏飞.砂砾石土渗透注浆浆液扩散规律及扩散半径影响因素试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2015,13(5):368-374. [百度学术]
QIN Pengfei. Test research on cement slurry diffusion feature of penetration grouting and its influence factors in sand and gravel layer[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2015,13(5):368-374. [百度学术]
孙斌堂,凌贤长,凌晨,等.渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布数值模拟[J].水利学报, 2007,38(11):1402-1407. [百度学术]
SUN Bintang, LING Xianzhang, LING Chen, et al. Numerical simulation for diffusion and pressure distribution of permeation grouting[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,38(11):1402-1407. [百度学术]
许兴亮,刘为民,宋志坚,等.单裂隙模型水泥浆液渗透扩散规律研究[J].煤炭工程,2018,50(12):103-106. [百度学术]
XU Xingliang, LIU Weimin, SONG Zhijian, et al. Study on permeation and diffusion law of cement slurry in single fracture mode[J]. Coal Engineering, 2018,50(12):103-106. [百度学术]
胡少银,刘泉声,李世辉,等.裂隙岩体注浆理论研究进展及展望[J].煤炭科学技术,2022,50(1):112-126. [百度学术]
HU Shaoyin, LIU Quansheng, LI Shihui, et al. Advance and review on grouting critical problems in fractured rock mass[J]. Coal Science and Technology, 2022,50(1):112-126. [百度学术]
杨秀竹,王星华,雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用[J].水利学报,2004(6):75-80. [百度学术]
YANG Xiuzhu, WANG Xinghua, LEI Jinshan. Study on grouting diffusion radius of Bingham fluids[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004(6):75-80. [百度学术]
杨秀竹,雷金山,夏力农,等.幂律型浆液扩散半径研究[J].岩土力学,2005,26(11):1803-1806. [百度学术]
YANG Xiuzhu, LEI Jinshan, XIA Linong, et al. Study on grouting diffusion radius of exponential fluids[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005,26(11):1803-1806. [百度学术]
杨米加,贺永年,陈明雄.裂隙岩体网络注浆渗流规律[J].水利学报,2001(7):41-46. [百度学术]
YANG Mijia, HE Yongnian, CHEN Mingxiong. Law of grouting penetrating through fracture network of rock mass[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001(7):41-46. [百度学术]
林涛,赵志宏,周书明.裂隙岩体注浆块体离散元方法模拟分析[J].地下空间与工程学报,2021,17(4):1080-1090. [百度学术]
LIN Tao, ZHAO Zhihong, ZHOU Shuming. Block‑based DEM modeling on grout penetration in fractured rock masses[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2021,17(4):1080-1090. [百度学术]
孟凡丁,许光泉,孙贵,等.深埋条件下水平分支孔注浆模拟分析[J].绿色科技,2021,23(14):194-213. [百度学术]
MENG Fanding, XU Guangquan, SUN Gui, et al. Grouting simulation with horizontal branch drilling under deep buried condition[J]. Journal of Green Science and Technology, 2021,23(14):194-213. [百度学术]
韩磊,陈建生,陈亮.帷幕灌浆扩散半径及数值模拟的研究[J].岩土力学,2012,33(7):2235-2240. [百度学术]
HAN Lei, CHEN Jiansheng, CHEN Liang. Research on diffusion radius and numerical simulation in curtain grouting[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(7):2235-2240. [百度学术]
程桦,刘向阳,荣传新,等.深立井地面注浆浆液渗流规律数值模拟与应用[J].安徽理工大学学报,2018,38(1):10-16. [百度学术]
CHENG Hua, LIU Xiangyang, RONG Chuanxin, et al. Numerical simulation and application of seepage regularity of ground grouting in deep vertical shaft[J]. Journal of Anhui University of Science and Technology, 2018,38(1):10-16. [百度学术]
孙小康.深部裂隙岩体注浆浆液扩散机理研究[D].徐州:中国矿业大学,2019. [百度学术]
SUN Xiaokang. Study on the diffusion mechanisms of grouting within fractured rock mass under deep ground[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2019. [百度学术]
朱合轩.深部随机开度裂隙岩体渗透注浆扩散机理研究[D].徐州:中国矿业大学,2022. [百度学术]
ZHU Hexuan. Research on study on diffusion mechanism of seepage grouting in deep fractured rock mass with random opening[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2022. [百度学术]
谢俊.压密注浆浆液以及扩散半径的参数分析[J].探矿工程,1998(S1):69-72. [百度学术]
XIE Jun. Compaction grouting fluid and parametrial analysis of its dispersion radius[J]. Exploration Engineering, 1998(S1):69-72. [百度学术]