深孔分段注漿的數值模擬研究

徐 華，吳 壯，王 劉

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232000)

0 引言

注漿錨索作為巷道固定在深部巖層，為張拉錨桿產生可靠的注漿工具，對提高圍巖自承能力及加固效果有著不可替代的作用。隨著煤礦開采深度、廣度和強度的不斷增加，出現了大量復雜困難巷道。許多學者對此進行了大量研究，周凱軍、谷拴成、李晨等[1-4]探討了漿液在裂隙中的擴散方式，分析了純水泥漿液擴散半徑與注漿壓力和水灰比之間的聯系；李萬里[5]通過Comsol Multiphysics數值模擬軟件建立模型來模擬在靜水條件下改變水灰比、裂隙張開度、注漿壓力等參數漿液擴散規律的變化。本文研究了深孔分段注漿新工藝，通過改變注漿錨索構件組成、增加特殊裝置設計出一種新型分段注漿錨索，實現由深到淺分段注漿；并采用CFD方法對分段注漿錨索漿液在土壤中擴散進行數值模擬。

1 新型分段注漿錨索的結構設計

1.1 分段注漿錨索的工作原理

分段式中空注漿錨索結構如圖1所示。在分段式中空注漿錨索中，將注漿區域分為A、B兩部分，索體1側壁的通孔7內設有活塞11，B區域活塞11側壁的角度小于A區域活塞10側壁的角度，錨索內部的壓力加大后，由于活塞側壁角度的緣故，B區域活塞側壁角度小的會被優先壓縮變形，使活塞沖出，經過一段時間后，繼續加大壓力，使A區域的活塞10能夠沖出，從而實現分段注漿。

1-索體;2-尾體螺母;3-墊板;4-巖石;5-塑料玻璃套管;6-固定框;7-通孔;8-小細管;9-鉆孔;10,11-活塞

在注漿管上封孔塞的外側上套有塑料玻璃套管5，塑料玻璃套管一側套裝有固定框6。在固定框兩側安裝兩只相應的小細管8，其直徑為4 mm或根據錨索結構做適當的調整，小細管與固定框相連，密封良好，將一細管注入化學漿液a，另一細管注入化學漿液b，兩種化學漿液在固定框6內混合，化學漿液隨后膨脹，實現A、B分段隔離。

1.2 創新點

該項技術的創新點在于：中間分段隔離技術有效地解決了以往巷道淺表注漿易優先滲入,造成淺表跑漿、深部注漿效率低等工程難題,提高了注漿滲入,確保有效改性破裂圍巖，顯著提高了支護效果;定壓密封注漿結構實現了下段達到額定注漿壓力后上段開始注漿。

2 數值模擬

2.1 滲流場與應力場耦合方程

基于流固耦合理論基礎原理Darcy定律、固體介質變形的應力-應變關系以及滲流應變-應力場界面耦合構建方程。

2.2 數值模擬流程

2.2.1 基本假設

(1) 將漿液視為各向同性且不可壓縮的均質流體，且為層流流動，符合連續方程。

(2) 不考慮重力影響和靜水壓力的影響。

2.2.2 分段注漿的流場結構設計模型

土壤模型是一個6 m×6 m×8 m的長方體，從高的中間位置4 m處將土壤模型分為兩部分，上部分是孔隙率為0.8的土壤模型，下部分是孔隙率為0.4的土壤模型，分段注漿錨索位于土壤一側的中間位置，注漿管半徑設為0.1 m。在注漿泵壓的作用下，漿液通過分段注漿錨索，優先進入土壤底層擴散，在注漿一段時間后，由于分段注漿的緣故，底部進入封漿狀態，使漿液再進入土壤上部擴散。

2.2.3 網格與時間步長的無關性檢驗

為保證科學的嚴謹性，對網格和時間步長進行了無關性檢驗，結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 網格無關性驗證 圖3 時間步長無關性驗證 圖4 注漿擴散半徑分布

由圖2圖3可以看出，當網格數量超過15萬時，網格數量對計算結果的影響很小，所以網格劃分的整體尺寸為125 mm，單元格數目為152 384，節點數目為161 005；當時間步長超過6時，時間步長對計算結果的影響很小，而時間步長為6時，既保證了計算結果的準確性，又大大縮減了計算時間，最后確定的時間步長為6。

2.3 數值模擬分析

得到的模擬結果如圖4所示，孔隙率與注漿半徑擴散數據如表1所示。

表1 孔隙率與注漿半徑擴散數據

下面分析注漿擴散半徑增大的原因。采用傳統的注漿方式,由于巖層淺部的裂隙寬度大，深部裂隙寬度小，漿液會優先進入淺部，且壓力施加在整個注漿孔的深度上，壓力會隨著注漿孔的深度和裂隙寬度增加產生明顯的減小，這會進一步削弱深部注漿的范圍，導致注漿效果不理想；而分段注漿以裂隙寬度為分段基礎，盡可能使巖體裂隙寬度維持一個合適的范圍，減小因裂隙寬度導致漿液擴散不均勻，同時每次施加壓力的范圍也有了明顯的減小，這樣使注漿效果有了極大的改善。

通過對比可以發現，使用分段注漿錨索的時候，漿液在注漿壓力的作用下擴散半徑明顯增大，在注漿底部孔隙率為0.4的土壤中，注漿半徑為1.818 m，相對于傳統1.081 m的注漿方式，其擴散半徑增大了0.737 m，增加了68.2%；在注漿上部孔隙率為0.8的土壤中，注漿半徑為2.624 m，相對于傳統1.932 m的注漿方式，其擴散半徑增大了0.692 m，增加了35.8%。

注漿擴散半徑隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知:在孔隙率為0.4時，從0～200 s內，注漿半徑明顯增大，在200 s時，注漿半徑為1.685 m,此時漿液在裂隙填充基本完成，向小縫隙滲透，因此從200 s～400 s內，注漿范圍依舊在增大，但是增大的趨勢明顯變慢；在孔隙率為0.8時，從0～300 s，注漿半徑明顯增大，在300 s時，注漿半徑為2.483 m,此時漿液在裂隙填充基本完成，向小縫隙滲透，因此從300 s～400 s內，注漿范圍依舊在增大，但是增大的趨勢明顯變慢。

圖5 注漿擴散半徑隨時間變化曲線

壓力隨擴散半徑的變化情況如圖6所示。由圖6可知:孔隙率為0.4或0.8，兩者的壓力隨漿液的擴散半徑變化趨勢幾乎相同,注漿壓力以注漿孔軸為中心沿著擴散路徑逐漸衰減;在靠近注漿口的位置壓力衰減最快，在遠離注漿口的位置壓力衰減緩慢，存在明顯的強衰減區和弱衰減區;在距注漿口0～0.4 m的范圍內，注漿壓力沿著漿液擴散路徑衰減較為明顯，距注漿口大于0.4 m后，注漿壓力沿著漿液擴散路徑衰減緩慢。

圖6 壓力隨擴散半徑變化曲線

3 結論

(1) 通過改變注漿錨索構件組成、增加特殊技術裝置等設計出一種新的分段注漿錨索，實現了深孔由深到淺分段注漿，相對于傳統的深淺孔注漿方式，大大節約了時間。

(2) 通過數值仿真，使用分段注漿錨索，漿液擴散半徑明顯增大，在注漿底部孔隙率為0.4的土壤中，擴散半徑增大了0.737 m，增加了68.2%；在注漿上部孔隙率為0.8的土壤中，擴散半徑增大了0.692 m，增加了35.8%。由此可見，分段注漿的注漿效果更為優越。