裂隙岩体注浆技术探讨

气化制氢 [ J] . 煤炭转化, 2001 ( 1) . [ 24 ] 钱丽君. 陕 西北 部侏罗 纪含 煤地 层及 聚煤特 征 [ M ] . 西
安: 西北大学出版社, 1987. [ 25 ] 陕西省煤田地质勘探公司 185 队. 陕北早中 侏罗世含 煤岩
系沉积环境 [ M ] . 西安: 陕西科学出版社, 1989. [ 26 ] 张 泓. 鄂尔多斯聚煤盆地形成与演化 [ M ] . 西 安: 陕西
312 劈裂注浆理论
劈裂注浆是指在压力作用下, 浆液克服地层的
初始应力和抗拉强度, 引起岩石和土体的破坏和扰
动, 使其沿垂直于最小主应力面上发生劈裂, 使地
层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可灌性和扩散性增
大, 而所用的注浆压力相对较高。
( 1) 砂和砂砾石 地层, 可按照 有效应力的库
仑 - 莫尔破坏准则计算。即
使浆液输入能量 $E = p0 $V (其中 p 0 为平均灌注压 力, $V 为在特定时间内所灌注的液体的体积 ) 等
于地层所储存的能量 $E s ( 岩石和液体中的弹性应 变能 ) 和不可能恢复的能量 $e ( 主要是对岩体的 水力劈裂中以克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所作
的功 )。这就 可以 认为, 一个 可以 增长 的微 小能
( 1) 球形扩散理论, 是 M aag 于 1938 年首次
以牛顿流体为基础发表的球形扩散理论, 后来卡罗
尔 ( K aro l) 及拉芙莱 ( Raffle) 在各自的研究基础 上建立了类似的计算公式。
M aag的渗透理论公式: t = 3rk31hB1nr0, r1 =
3
3kh1 r0 t Bn
n) ) ) 被注载体的孔隙率;
k) ) ) 被注载体的渗透系数;
h1 ) ) ) 注浆压力; r0 ) ) ) 注浆管半径。 球形渗透理论假定: ¹ 被注砂土为均质的各
向同性体; º 浆液为牛顿流体; » 浆液从注浆管
底端注入地基土内, 浆液在地层中呈现球形扩散。
( 2) 浆液柱形扩 散渗透理论。当浆液在注浆
浆液若渗透区域中产生的剪切阻力 与灌浆压力平
衡, 浆液就停止流动。因此, 要想扩大浆液的扩散
半径必须提高注浆压力。
( 8) 吸渗反应定 理。化学浆液 对低渗透介质
的渗透, 主要不是由于压渗作用而是浆液对岩土的
润湿能力和亲和能力, 也就是吸湿作用。浆液对岩
土的润湿性以其接触角 H来表示。即
cos H=
3 岩体注浆技术参数的确定依据
311 渗透型注浆理论
渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔
隙和岩石的裂隙, 排挤出孔隙中的自由水和气体,
而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和体积, 所用注浆压力较小。这类注浆一般只适用于中砂以
上的砂性土和有裂隙的岩石。代表性的渗透理论有
球形扩散理论、柱型扩散理论和袖套管法理论。
减小, 而去 减小 R l 值, 将 同时导 致 W、 F 减小, 从而损害了浆液的黏接强度和浆液内吸渗能力, 结 果反而对注浆不利。因此, 优异的化学浆材应具有 适当的表面张力和小的浆 - 固界面张力 [ 1 ] 。
( 9) 能 量耗散 定理。在软 土的 劈裂 灌 浆中,
浆液在摩擦过程中要有能量消耗, 只有部分能量参 与土体劈裂过程, 而能量消耗与振幅和频率有关。
Rs - Rsl Rl
式中 Rs) ) ) 岩土表面张力;
Rl) ) ) 浆液的表面张力;
Rsl) ) ) 浆 - 固界面张力。
如果 H< 90b, 浆液是岩土的润湿相,
有吸湿
作用; 如果 H\ 90b, 则无吸湿作用, 浆液必须借 助压力才能注入。但是, 由于黏附功 W = Rl ( 1+ cos H) 和亲和力 F = R cos H, 若为了获得接触角 H
量, 将使浆源作用半径逐渐增大。因此, 注浆速率
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和注浆压力在注浆过程中同样重要。
2 岩体裂隙的调查与表征
在注浆过程中, 浆液是沿着裂隙进入到被注介 质的, 因此对裂隙的调查与分析是至关重要的。由 于渗流实验研究方面取得了重大进展, 过去因为无 损探测和显示技术方面的困难, 在实验研究方面渗 流力学落后于其它力学分支。当前无损细观研究可
R c1
+ 2
Rc3 sin
Uc =
R c1
2
R c3
-
C ccos
Uc
式中
Rc1) ) ) 有效最大主应力, Pa; Rc3) ) ) 有效最小主应力, Pa; Uc) ) ) 有效内摩擦角, ( b);
C c) ) ) 有效内聚力, P a。
由于注浆压力的作用, 使砂砾岩的有效应力减
小, 使地层导致破裂的注浆压力为
( 3) 时间依赖性定理。在注浆过 程中, 大多 数浆液的黏度和屈服强度都会随时间的增加而浆液 的黏度变大, 从而使浆液的流动性变坏。
( 4) 偏流效应定理。田开铭在 1982年提出偏 流效应定理, 认为裂隙交叉对水流的影响效应使裂 隙水交叉流具有 3个水力特性: 偏向、裂隙的两方 向上水流阻力效应不等、偏流。因此, 不能将裂隙 岩体看成为单个裂隙的集合, 而应该看成是单个交 叉裂隙的集合。偏流效应有可能使注浆设计中对浆 液渗流状态的预测和控制与实际不符。
P0 =
Ch ( 1 + 2
K
)
-
Ch ( 1 - K ) 2sin Uc
-
Cw hw
+
C ccot Uc
式中 P 0) ) ) 注浆压力, MP a; C) ) ) 砂或砂砾石的密度, kg /m3; Cw ) ) ) 水的密度, kg /m3; hw ) ) ) 地下水位高度, m; h ) ) ) 灌浆段深度, m; K ) ) ) 为主应力比。
( 2) 在黏土层中, 水力劈裂将 引起土体固结
挤出现象, 在只有固结作用的条件时, 可用下式计 算注入浆液的体积 V 和单位土体所需的浆液量 Q。
a
Q V = 0 (P0 - u )m v 4Pr2 dr
Q = Pmv 式中 a) ) ) 浆液的扩散半径, m;
u ) ) ) 孔隙水压力, MP a; m v ) ) ) 土的压缩系数; P ) ) ) 有效注浆压力, M Pa。
第 33卷第 4期
煤炭科学技术
2005年 4月
裂隙岩体注浆技术探讨
冯志强, 康红普, 杨景贺
(煤炭科学研究总院, 北京 100013)
摘 要: 论述了岩体注浆技术的基本理论、岩体注浆技术参数的确定、岩体裂隙的调查和表征以及
注浆效果的检测手段等, 最后提出了注浆技术的发展方向。 关键词: 裂隙岩体; 注浆; 化学加固
以用 X 射线层析成像仪 ( X - CT ) 和核磁共振成 像仪 ( MR I或 NMR l) 。 X - CT 的工作原理是 X 射 线透过被测物体时, 其 密度差异引起 X 射线有不 同程度的衰减。由此可观察被测物体的内部结构、 多 孔介 质的 孔隙 和裂 缝分 布及 其分形 参数 。 M R I的 功能优于 X - CT。其工作 原理是先获得被测物体 的核磁共振信息, 根据其弛豫时间的差异, 再由计 算机以 Fourier变换重建法等方法成像, 既可检测 多孔介质的结构持性 ( 孔隙和裂缝分布、孔隙度、 分形参数等 ) , 也可检测某些物理特性和流动参数 ( 表面湿润性、饱和度分布、流体特性变化等 ) 以 及流体与岩石间相互作用等。另外, 由煤炭科学研 究总院北京开采研究所开发的 KSY - 3000型矿用 窥视仪, 将其探头放入钻孔可拍摄到被测岩体的裂 隙分布等参数, 这对 裂隙的调查提 供了有利的条 件。同时有研究表明, 分形维数与结构面分布密集 程度之间有下列关系: 岩体结构面的分形维数 D c 越小, 结构面分布越稀疏; D c 越大结构面分布越 密集, 而且优势面组数越多 [ 2] 。
中图分类号: TD353
文献标识码: B
文章编号: 0253- 2336 ( 2005) 04- 0063- 04
D iscussion on grouting technology for crack rock m ass
FENG Zh-i qiang, KAN H ong-pu, YANG Jing-he
4 岩体注浆材料选择与注浆效果检测
注浆工程中所用的原材料分为粒状材料和化学 材料 2个系统。粒状浆材配成的浆液是悬浊液型。 由于固体颗粒悬浮在液体中, 所以这种浆液容易离 析和沉淀, 沉降稳定性差, 结石率低。另外, 浆液 中含固体颗粒尤其是较大颗粒, 使浆液难以进入土 层细小裂隙和孔隙中。为改善粒状浆材的性质, 以 适应各种不同地层条件的需要, 往往在浆液中加入 各种外加剂。近来已经开发出无机纳米 XPM 混凝 土外加剂, 在混凝土中加入此种外加剂, 可以使现 在的水泥颗粒从 7 500 nm 降到 10 nm, 黏结力达到 3189 MP a。从而使水 泥浆材的使用 范围得到了提 高。但是在对于裂隙较大岩体或者有强烈地下水流 动的裂隙岩体进行 注浆封堵与加固时, 根据 / 桥 堵 0 理论, 让浆液中的最大固体颗粒, 在通道的 窄处或转角处由 1~ 3个同时通过的颗粒造成桥架, 逐级拦截住次一级的固体颗粒, 在不断注浆过程中 形成反滤层, 逐 步堵死 [ 3 ] 。所 以, 应该 根据地质 条件的不同选择合适的浆液。
压力作用下, 浆液在孔下部呈柱形扩散。
t=
n Br2
ln( r1 2kh1
/r0
) ,
r1 =
2kh1 t nBln( r1 /r0 )
( 3) 袖套管法理论。该理论假定浆液在砂粒中
做紊流运动, 则扩散半径 r1为
r1 = 2
t n
kvh1 r0 de
式中 de ) ) ) 被注载体的有效粒径; v) ) ) 浆液的运动黏滞系数。
第 33卷第 4期
煤炭科学技术
2005年 4月
K aro l渗透理论公式:
t=
n 3k
B h1
r21,
r1 =
3kh1 t Bn
R affle渗透理 论公 式:
t=
nr
2 0
kh1
B 3
r31 r30
-
1
-
B2
1
r
2 1
r
2 0
-
1
式中 t) ) ) 注浆时间;
r1 ) ) ) 浆液扩散渗透半径; B) ) ) 浆液黏度对水的黏度比;
的条件。这里只介绍用数值法描述的情况, 通过钻
孔压水试验可以分析出 3 种情况: ¹ 当流量与水
头呈线性关系时, 水在裂隙中呈层流状态, 岩土体 中未发生水力劈裂; º 当流量与水头呈平方根函
数时, 渗流呈紊流状态裂隙中发生阻塞或裂隙中充
填料被压密; » 流量增长高于水头增长时, 表明
渗流断面已被扩大, 这时岩土体被劈裂。 ( 7) 液流极限定 理。具有抗剪 强度的非牛顿
科学出版社, 1995. [ 27 ] 王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资 源评价 [ M ] . 北
京: 煤炭工业出版社, 1996.
作者简介: 李小彦 ( 1953 - ), 女, 陕 西扶风人, 研 究员, 从 事 煤 田 地 质、 煤 岩 学、 煤 层 气 地 质 研 究 工 作。 T e:l 029 87862528, E - m ai:l lix iaoyan4142@ 1631 com
R = Dp /dc > 1 式中, R 为净空比, 为考虑颗粒堵塞作用的附加影 响, 在施工控制时要求: R = D p /dc \ 3。
( 2) 流变效应定理。浆液按其 流变性分为牛 顿流体和非牛顿流体 (主要是 B ingham 体 ) , 牛顿 浆液的流动性只取决于其黏度, 而非牛顿浆液同时 取决于其黏度和屈服强度。真溶液化学浆液则只受 流变效应控制。
收稿日期: 2005- 01- 12; 责任编辑: 刘军娥
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第 33卷第 4期
煤炭科学技术
2005年 4月
( 5) 劈裂定向定 理。采用劈裂 注浆方式进行 注浆时, 劈裂现象首先会发生在岩土体中垂直于最
小主应力的平面上。
( 6) 劈裂判定定理。此定理是程奎良 于 1994
年用数值法和曲线法描述了岩土层中发生水力劈裂
( Ch ina C oal R esearch In st itu te, B eijing 100013, Ch ina )
在岩土工程实践中经常会遇到一些经过多次地 质构造运动使应力场变得复杂, 并且破坏了完整性 和连续性的岩体。这类岩体产生了许多裂隙、节理 和断层。在许多实际工程中, 往往由于节理裂隙形 成了连续的破断面, 一旦被黏土矿物充填或挤压破 碎之后, 就可能形成力学性能最差的软弱夹层和破 碎带, 同时在这类岩层中有时候还富含压力水或承 压水。因此, 这类岩土工程的稳定性受到威胁, 在 这种情况下, 就必须对岩体进行加固与封堵水。对 大范围受压力水威胁的岩体或破碎岩体, 通常的锚 固往往起不到很好的效果, 而注浆则是一种切实可 行的、长期稳定的岩体加固与封堵水的措施。
1 岩体注浆技术的基本理论
由于复杂的地层条件和施工工程的隐蔽性, 注 浆介质和注浆工艺难以模拟。因此, 理论研究难以 展开, 有研究人员认为注浆设计是一种具有艺术性 的技术科学。根据现有科研成果可概括总结以下几 个定理:
( 1) 尺寸效应定理。对于渗透浆液, 浆材颗粒
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尺寸 dc必须小于被注介质缝隙或孔隙尺寸 D p, 也 就是说必须满足浆材对孔隙的尺寸效应, 即