復雜地質(zhì)條件下基漿注漿技術(shù)研究

復雜地質(zhì)條件下基漿注漿技術(shù)研究

一般來說，投影法可分為兩種類型：靜壓注漿法和高壓噴霧注漿法。靜壓注漿法加固地基的優(yōu)點主要表現(xiàn)在:漿液擴散范圍大,注漿固結(jié)體強度較高,注漿漿液能充分地進入地層中,漿液利用率高;而其缺點主要有:注漿漿液可控性較差,易出現(xiàn)串漿及跑漿現(xiàn)象等。為使靜壓注漿能有效控制加固范圍,又開發(fā)了袖閥管靜壓注漿法,但在深度上的可控性仍沒有得到有效解決,其漿液注入主要靠擠密和劈裂作用;加固后注漿固結(jié)體強度較低且漿液擴散的均勻性較差,難以形成有效樁體狀。這種工藝方法比較適用于中粗砂及砂礫石、破碎巖石與卵礫石、軟黏土和濕陷性黃土等地層施工作業(yè)。高壓噴射注漿法加固地基優(yōu)點主要表現(xiàn)在:漿液在噴切割土體極限范圍之內(nèi)固結(jié),漿液可控性好,不易流失到遠距離的加固區(qū)域外,以置換土體方式固結(jié),固結(jié)體強度高;而其缺點主要有:漿液擴散范圍較小,對有結(jié)石物或硬物阻礙時無法達到所需加固范圍,漿液受噴射流動性制約導致水灰比較大,固結(jié)體收縮也較大,對卵礫石地基及含有大纖維質(zhì)的腐植土注漿效果較差。該工藝方法較適用于土質(zhì)范圍為砂類土、黏性土、濕陷性黃土和淤泥地層施工作業(yè)。在此,本文作者結(jié)合某煤礦區(qū)40多年難于治理的水害隱患及其復雜的地質(zhì)條件,采用靜壓注漿和高壓旋噴注漿時序結(jié)合的新型復合注漿技術(shù),探討帷幕注漿阻水機理。1準備與砂漿注射機1.1水泥粉煤灰增強增強礦區(qū)注漿擬采用的漿液主要有單液水泥漿液、水泥水玻璃漿液和水泥粉煤灰漿液等。漿液的基料有P.0.325普通硅酸鹽水泥作和粉煤灰,外加劑有速凝劑(如三乙醇銨、水玻璃等)、早強劑、塑化劑、懸浮劑等,試驗中各種測定值均采取平均值。1.1.1結(jié)構(gòu)的性能分析水泥漿性能指標實驗結(jié)果見圖1。從圖1可以看出:隨著水灰比的增大,水泥漿的黏度(曲線1)、密度(曲線2)、結(jié)石率(曲線5)和抗壓強度(曲線6)的性能指標呈現(xiàn)明顯的降低態(tài)勢,而初凝和終凝時間(曲線3、曲線4)則呈現(xiàn)遞增態(tài)勢。受噴射流動性的制約,旋噴采用的水灰比為1:1,靜壓注漿采用水灰比為0.7:1～1:1。1.1.2積分數(shù)實驗結(jié)果選取水灰比為1:1水泥漿,分別選取未添加外加劑、3%(體積分數(shù),下同)水玻璃、2%三乙醇銨和5%三乙醇銨4種條件下進行實驗,結(jié)果見表1。從表1可推斷出較合適的速凝早強劑添加量分別是體積分數(shù)為5%三乙醇銨和體積分數(shù)為3%水玻璃。1.1.3水灰比對復合漿液凝固工作的影響(1)凝膠時間。研究表明:在地下水流動速度過快或出現(xiàn)溶蝕裂隙的地層進行復合注漿加固時,需采用水泥水玻璃漿液雙液混合的方式進行注入以使?jié){液在很短的時間內(nèi)凝固。為此,在室濕23℃實驗中,當水泥漿與水玻璃體積比為1:1時,研究不同的水灰比對復合漿液性能的影響,結(jié)果見圖2;在水灰比為0.6:1的條件下,不同的水泥漿與水玻璃的體積比對復合漿液性能的影響見圖3。凝膠時間是指水泥漿與水玻璃相混合時起至漿液不能流動為止的這段時間,實驗表明:水泥水玻璃類漿液的凝固時間可以從幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)準確控制,影響其凝膠時間的因素主要有水泥漿濃度、水玻璃濃度、水泥漿與水玻璃體積比等。(2)抗壓強度。在水玻璃濃度為40°Be′、水泥漿與水玻璃體積比為1:1的條件下,分析不同水灰比對漿液不同齡期抗壓強度的影響,結(jié)果見圖4。從圖4可見:水泥水玻璃漿液結(jié)石體抗壓強度較高,特別是早期強度較高,并且增長速度很快。1.1.4粉煤灰對基漿性能的影響考慮到周邊小煤礦的采空區(qū)與湖南寧鄉(xiāng)沈家灣煤礦11采空區(qū)相通,地表水通過廢棄井口、塌陷區(qū)、裂縫帶倒灌進入沈家灣煤礦;在漿液選型時,考慮采用水泥粉煤灰漿液與細河砂相混合的辦法以防止?jié){液流失并節(jié)約注漿成本。在室內(nèi)實驗中,在水灰比為1:1的基漿中,加入不同體積分數(shù)的粉煤灰,粉煤灰對水灰比1:1漿液性能的影響結(jié)果見圖5。從圖5可見:考慮到漿液的滲透性能和抗壓強度等因素,野外施工采用水泥與粉煤灰比為1:2時較合適。1.2液體滲透模型及其功能機制1.2.1流量q的確定漿液在多孔介質(zhì)中流動的滲流問題可以用達西定律來求解。設漿液流速為u,壓力為p。當流動雷諾數(shù)Re不太大時(1<Re<10),根據(jù)達西定律有:式中:k為滲透系數(shù)?？紤]到多孔介質(zhì)的孔隙率n(即孔隙體積與總體積之比),連續(xù)性方程為式中:ρ為漿液密度。當漿液壓力增高時,土的孔隙率要增大,在最簡單的情況下,有式中:Kp為土介質(zhì)的體積模量,即產(chǎn)生單位孔隙率變化所需要的壓力變化;n0為壓力p=p0時的孔隙率。假定Kp為常數(shù),而漿液的k與ρ在一段時間范圍內(nèi)不變,則將式(1)代入式(3)得:式中:G=k·Kp>0。將漿液出口取作坐標原點,在球?qū)ΨQ情況下,式(4)可簡化為但漿液壓力和速度在r=0時均為無窮大,故不宜作為未知函數(shù)求解。而流量在整個流場中都具有有限值,因此,下面以流量Q作為未知函數(shù)。因為徑向速度u(28)-k(uf0b6p/uf0b6r),而Q(28)4πr2u(28)-4πk(r2uf0b6p/uf0b6r),因此,將式(5)對r求偏導數(shù)得:邊界條件為:Q(0,t)=Q0(常數(shù));Q(∞,t)=0。初始條件為:Q(r,0)=0。則可從式(6)求得任一時刻t在任一位置r的流量Q。利用單參數(shù)數(shù)群理論和Baltzmann變換,將上述偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程,求得其相似解(即可將式(6)簡化)為式中:。設從0到T的平均灌漿流量為,則對式(7)的二階常微分方程,可得:式中:。因此,當注漿流量隨時間線性增加時,可從式(8)求得T時刻空間各點的流量。假設當某點的流量與平均流量之比時,該處無漿液,則對式(8)求解得:x0=1.55,此時,漿球半徑為1.2.2噴射流固結(jié)土體復合注漿機理復合注漿法是將靜壓注漿法和高壓旋噴注漿法進行時序結(jié)合,首先采用高壓旋噴注漿形成樁體,再應用靜壓注漿增強旋噴效果,擴散加固漿液,防止固結(jié)收縮,消除注漿盲區(qū)。其作用機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)漿液對原狀土體的噴射切割作用。高壓噴射流破壞原狀土體的主要作用是噴射流的破壞應力,當噴嘴出口噴射流破壞應力大于土體強度時,噴射流能破壞土體,其破壞力隨著距噴嘴出口距離的增加而逐漸減小;當破壞應力等于或小于土體的結(jié)構(gòu)強度時,其破壞土體的深度不再增加,即達到極限破壞深度,其破壞應力強度取決于噴嘴入口處的噴射壓力即泵壓。(2)漿液與原狀土體的攪拌置換固結(jié)作用。鉆桿在旋轉(zhuǎn)提升過程中,噴射流對土體進行沖切破壞,在噴射流后部形成空隙,在噴射壓力作用下,迫使土粒向著與噴嘴移動相反的方向移動,從而與噴射流漿液攪拌混合,一部分細小的土粒被噴射漿液轉(zhuǎn)換,隨漿液帶到地面,其余的土粒與漿液攪拌混合。漿液與土混合后,經(jīng)一系列水化作用后形成具有一定強度的固結(jié)體。(3)漿液對原狀土體的滲透作用。滲透注漿作用是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙排擠出孔隙中存在的自由水和氣體,而基本上不改變原狀土的結(jié)構(gòu)和體積。對中粗砂、卵礫石及破碎巖石等地層進行復合注漿時,其擴散的主要方式是漿液的滲透作用。(4)漿液對原狀土體的劈裂作用。劈裂注漿作用是在壓力作用下,漿液能量大于土體結(jié)構(gòu)強度而產(chǎn)生的剪切力劈入土層,在土層中形成許多似樹枝狀的漿脈。漿脈在土體中水化固結(jié)后,提高了混合土體的強度。對黏性土、淤泥類土和粉細砂土進行復合注漿時,其擴散的主要方式是劈裂作用,擴散范圍與注漿的壓力和注漿時間成正比。(5)漿液對原狀土體的擠密作用。在漿液滲透注入地層或劈裂注入地層的過程中,同時還存在擠密作用。擠密作用是漿液在壓力作用下向土體中擴張,對漿液四周土體產(chǎn)生一種擠壓力,迫使土體被擠密,從而使土體密度增加。2工程應用2.1孔口冒漿注漿作業(yè)方案包括:(1)采用下行式分段注漿,遇到漏失段就注漿充填;(2)自流式靜壓注漿,即注漿管下入到采空區(qū),將漿液輸送到采空區(qū),當孔口冒漿時終止靜壓注漿;(3)加壓注漿,即在終止靜壓注漿后,對鉆孔進行加壓注漿,當壓力>3MPa并穩(wěn)定15min左右終止注漿;(4)開孔孔徑為146mm,進入基巖0.5～1.0m,下孔口管終孔孔徑為91mm;(5)當注漿量較大時,投入骨料(河砂)、間歇式注漿和添加速凝劑。施工工藝流程見圖6。2.2砂漿注射效果分析2.2.1煤層注漿孔的注漿量設計注漿孔31個,6號、7號和9號注漿孔被阻撓提前終孔,終孔深度分別在2煤層底板和6煤層頂板。全區(qū)煤系地層有1號煤層、2號煤層、5號煤層和6號煤層。其中,2號煤層開采范圍廣,占總注漿量30.3%,主要注漿段在15～28號注漿孔。各孔的施工注漿量見表2。(1)煤層注漿孔的注漿量與導水裂縫帶高度有關(guān),與注漿孔位于采空區(qū)內(nèi)的位置有關(guān);也與注漿序列有關(guān),第一序列注漿量大于第二序列注漿量。(2)1號煤層:該采空區(qū)與沈家灣煤礦11采空區(qū)無水力聯(lián)系,但與地表小溪漏失量有關(guān)且與大隆組裂隙水有水力聯(lián)系。(3)2號煤層:注25～28孔段均為小煤礦的采空區(qū),與沈家灣煤礦第11采區(qū)的2號煤層采空區(qū)連通。(4)5號煤層:25個注漿孔均見5號煤層,其中5號煤層采空區(qū)有7個孔,孔深在110m以上,標高在-15m以上。(5)6號煤層:25個注漿孔均見6號煤層,其中見6號煤層采空區(qū)22個孔,孔深在170m以上,標高在-70m以上。注26～30孔段是小煤礦的采空區(qū)與沈家灣煤礦11采區(qū)的6號煤層采空區(qū)連通;注9～11孔段是帷幕南段6號煤層的采空區(qū);注6～8孔段為6號煤層不可采段;注11～15孔段是探煤巷;注15孔段是61號煤層。2.2.2無壓力自然堆積假設垮落帶高度為10m,注漿孔走向注漿的有效半徑為10m,地層傾角為25°,帷幕體上方的墻厚10m,孔隙率為0.2,在無壓力自然堆積狀況下計算的注漿量約840m3。注漿時漿液有壓力,流動性較好,故在上述假設條件下,注漿量必定大于840m3,垮落帶高度越大注漿量也將隨之增加,因此,表現(xiàn)出各注漿孔注漿量的差異性。2.2.3背景分析及舞臺的構(gòu)成分析導水通道分析:(1)帷幕區(qū)段內(nèi)1煤層導水通道,帷幕區(qū)的1煤層埋深13～30m,1號煤層與2號煤層的層間距50～60m,1號煤層與大隆組含水層的層間距約10m,無導水通道;(2)帷幕區(qū)段內(nèi)2號煤層導水形式為裂隙、孔隙和小空洞式;(3)帷幕區(qū)段內(nèi)5號煤層和6號煤層導水通道,大氣降水,洪水泛濫時地表水,通過廢棄老窯井口、塌陷區(qū)、裂縫帶進入小煤礦采空區(qū),然后經(jīng)過導水裂縫帶到沈家灣煤礦6號煤層11采空區(qū)。帷幕的構(gòu)成分析:(1)鄰近注漿孔的漿液有相互串通現(xiàn)象,且第二序列有些鉆孔見到第一序列鉆孔的注漿水泥芯;(2)相鄰2個注漿孔施工后,其后在中間施工的注漿孔,總體來說注漿量均減少,有些孔見采空區(qū)但不漏水。第二序列的注漿量比第一序列注漿量小,這說明未注時孔與孔之間有水力聯(lián)系通道。在第一序列注漿后,孔與孔之間水力聯(lián)系通道不暢通,故第二序列的注漿量減少,推斷帷幕已基本構(gòu)成。沈家灣煤礦涌水水源是大氣降水,災害性涌水水源是洪水泛濫的地表水。由于帷幕基本構(gòu)成,在一定程度上帷幕體上游的廢棄小煤礦水不會大量進入到礦11采空區(qū)的東翼。暴雨時大氣降水通過帷幕體下游的廢棄小煤礦塌陷區(qū),裂縫帶進入到沈家灣礦11采空區(qū)的西翼,故礦井西南翼涌水量會上升?？辈楸砻魇┕^(qū)附近大隆組底部裂隙發(fā)育是弱含水層,帷幕基本形成時也對帷幕體內(nèi)大隆組底部注漿,使大隆組底部裂隙通道不暢通。暴雨時含水層水量增大,由于通道不暢通使部分地下水通過3個在大隆組地層中的廢棄小煤礦進入第11采空區(qū)的西翼。帷幕體主要是對帷幕體上游廢棄小煤礦采空區(qū)和第11采空區(qū)的東翼導水通道進行封堵。結(jié)合2010-04-21和2010-06-21特大暴雨條件下井下涌水量的記錄結(jié)果,表明帷幕墻體已構(gòu)成,并推斷礦井西南翼涌水量依舊與大氣降水有關(guān),災害性涌水狀況通常情況下不會發(fā)生。3規(guī)范采空區(qū)注漿(1)在沈家灣