富水砂层宾汉浆液柱形渗透扩散模型及其试验研究

【目的】富水砂层灾害防控是困扰隧道、深大基坑等安全施工的重大难题,常通过袖阀管向地层内渗透注浆来提高强富水弱胶结砂质地层抗渗性和承载力,其注浆结石体近似为圆柱形。【方法】为探究砂层渗透注浆柱形扩散机理,首先构建考虑迂曲效应的宾汉浆液在砂层内渗透注浆的辐射管道流柱形扩散模型,然后研制一套砂层渗透注浆柱形扩散模型试验装置,开展不同颗粒级配被注砂土、不同注浆压力和不同水灰比水泥基浆液条件下的砂层渗透注浆试验,探究浆液扩散规律,最后结合试验结果验证理论合理性。【结果和结论】结果表明:当被注砂土粒径较小且黏性土含量较高时,注浆压力对扩散半径影响较小,浆液水灰比是影响注浆扩散形态的主控因素:此时若浆液水灰比较大,则渗滤效应不显著,注浆扩散半径较大且不容易发生串浆,但砂土颗粒之间的黏结强度沿径向逐渐降低;此时若浆液水灰比较小,则渗滤效应显著,浆液扩散较短距离后孔隙空间即被完全淤堵,土层交界面会成为浆液优势扩散面,出现串浆现象。当被注砂土粒径较大且黏性土含量较低时,低压稀浆与高压浓浆条件均可使浆液在砂土内充分扩散,但砂土孔隙分布的随机性、空间差异性和颗粒型浆液扩散的迂曲效应、渗滤效应会导致注浆结石体形状不是规则的圆柱体。浆液压力在扩散方向上衰减速度先快后慢,注浆扩散半径理论计算值比试验值大6.10%~10.97%,起始注浆压力理论计算值与试验值的相对误差为–0.48%~18.62%。研究成果可为砂层渗透注浆参数设计提供理论支撑与指导。

水泥浆液在不同砂层内注浆扩散机制分析

揭示水泥浆液在不同砂层内注浆扩散机制对于指导煤矿、地铁、公路等领域注浆加固砂质地层至关重要。采用自主研发的砂层注浆试验装置,通过1根注浆花管对2种不同颗粒级配的砂层同步注浆,探究水泥浆液在不同砂层内扩散形态之间的差异。研究结果表明:水泥浆液在颗粒级配较差的圆粒砂内发生渗透扩散,在颗粒级配良好的粗河砂中发生劈裂扩散。采用管道流模型和圆孔扩张理论分别阐述了渗透注浆和劈裂注浆2种扩散模式的力学机理,孔隙通道尺寸较大的土层,浆液启动压力梯度越小,在该种土层内浆液越容易发生渗透扩散。当注浆压力较大且孔隙通道尺寸较小时,会发生劈裂扩散模式,若土体发生张拉破坏,则劈裂浆脉平行于小主应力作用面;若土体发生剪切破坏,则劈裂浆脉与小主应力作用面的夹角为45°-φ/2。

工作面开采引发的井筒破损机理及其修复治理技术

大社矿工业广场92606工作面开采致使东副井筒发生严重破坏,为减轻工业广场待采92606外工作面开采扰动对东副井筒的叠加影响,采取的加固方案如下:(1)在东副井筒破坏位置处(埋深298 m)采用单液水泥浆和水泥水玻璃双液浆进行壁后注浆加固;(2)待注浆帷幕达到强度后,为释放因开采煤层导致地层沉降所产生的作用于井筒的竖向负摩擦力,在垂深278 m处开切卸压槽,该卸压槽内充填沥青防腐木砖;(3)同时,为增强井筒强度和稳定性,在东副井破坏段采用槽钢井圈加固。井筒加固后,在三个水平采用振弦式应变计、振弦式测缝计和振弦式压力计对其应力应变进行监测,结果表明:开采130 d后,一水平和三水平位置井筒环向和竖向拉应力均在为5 MPa左右,小于井筒极限承载力;卸压槽防腐松木产生1.5 mm的压缩变形,远小于其极限压缩量(132 mm),表明井筒加固后目前处于安全状态。