不同滲透率灰巖裸孔注漿漿液擴散特性

陳軍濤,朱 君,張呈祥,賈東秀,張 毅,傅子群,劉 磊,王恩超

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院,山東 青島 266590;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.山東能源集團西北礦業有限公司,陜西 西安 710018;4.山東能源新汶礦業集團有限責任公司 邱集煤礦,山東 德州 251105;5.濟寧市能源綜合執法支隊,山東 濟寧 272000)

0 引 言

根據《2021年BP世界能源統計年鑒》,2020新冠疫情期間中國是為數不多的能源需求增長的國家之一[1]。未來較長時期內,中國發展所需的能量來源仍是以煤炭為主體[2]。在煤炭生產過程中,煤層頂底板突水仍阻礙著煤炭資源安全高效開采[3-4],而注漿改造含水層正是解決突水威脅礦井開采的有效方法之一[5]。礦井通過定向鉆探注漿,改造區域巖溶含水層為隔水層,解放大量受水害威脅的煤炭資源,又減少對地下水資源的破壞[6-7]。深入研究含水層巖溶孔隙高圍壓靜水條件下漿液擴散規律,對含水層注漿改造工程具有理論指導意義和參考價值。

多分支井是從一個主井筒中側鉆出2個或2個以上分支井眼的井[8]。1983年,中國煤炭科工集團西安研究院等以國家支撐項目為依托,對定向鉆進技術進行研究[9-10],并向國內煤礦企業推廣應用[11-12]。順煤層定向鉆探為煤層頂底板定向水文地質災害探查、注漿加固定向鉆孔等工程提供良好的安全技術保證[13-14]。

國內外學者對于漿液擴散的模擬方面也做了很多相關研究,目前以Fluent[15]、CFD和COMOL Multiphysics[16-18]數值模擬軟件為主。劉人太等應用COMSOL研究動水條件下裂隙注漿擴散規律并與物理試驗進行對比,驗證數值模擬的有效性[19]。周盛全建立4類灰巖溶含水層介質空間結構概念模型,并分別從裂隙長度、張開度角度等影響滲透率大小的因素進行數值模擬,結果表明巖溶發育程度越強漿液擴散距離越遠[20]。許延春等開展裂隙巖體損傷的注漿加固試驗,建立分級分巖性定量評價注漿效果的新方法[21]。LIU等提出一種數值流形法(NMM),模擬漿液在裂縫巖體中的滲透過程,結果表明注漿區域和漿液擴展程度隨裂縫孔徑和注漿壓力的增加而增加[22]。

眾多學者在漿液擴散模擬研究方面開展了大量研究,但多以Magg球狀擴散理論和柱狀擴散理論為主,對于在大面積治理下組煤底板含水層巖溶裂隙的定向分支孔注漿工程中,漿液通過注漿裸孔擴散規律鮮有研究。以定向鉆孔注漿治理大面積灰巖含水層實際工程為背景,對不同滲透率灰巖層鉆探裸孔注漿的漿液擴散規律進行研究,分析漿液擴散特性,并與工程實踐進行對比,驗證模擬研究結果的準確性,為黃河北煤田類似水害問題的治理和定向鉆孔高質量精準注漿技術提供科學參考。

1 注漿理論分析

1.1 基本控制方程

針對灰巖含水層巖溶孔隙,假定內部充滿地下水,此時灰巖為飽和巖體。注漿過程中,注漿壓力壓迫漿液注入介質內,將孔隙水驅替排出的過程是一種非穩定流體狀態[23]。用達西定律表示地下漿液驅水運動,未注漿時水的飽和度為1,滲透率是介質固有的滲透率。注漿時,孔隙中存在漿液和水兩種流體流動,介質滲透率與孔隙特征與飽和度存在關聯性[24],滲透率之間關系式為

Kw=kw/k,Kn=kn/k

(1)

式中Kw為水的相對滲透率;Kn為漿液的相對滲透率;kw為水的有效滲透率;kn為漿液的有效滲透率;k為巖層滲透率,m2。

達西兩相流控制方程為

(2)

ρ=snwρw+swnρn

(3)

(4)

式中snw為水的飽和度;swn為漿液的飽和度,水和漿液完全填充孔隙,和為1;ρw為水的密度,kg/m3;ρn為漿液的密度,kg/m3;μw為水的動力粘度,N·s/m2;μn為漿液的動力粘度,N·s/m2。krw為水的有效滲透率,m2;krn為漿液的有效滲透率,m2。

1.2 巖層滲透率

由于COMSOL兩相流模塊的計算參數采用的是孔隙率和滲透率,孔隙率從山東能源集團邱集煤礦前期地質調查獲取;滲透系數是水力傳導系數,兩者的關系為

K=kγ/μ=kg/v

(5)

式中K為滲透系數,m/d;k為滲透率,m2;μ為粘度,Pa·s;v為運動粘度,m2/s;γ為容重,N/m3;g為重力加速度,m/s2。

通過現場調研獲取底板徐灰巖層滲透系數資料,運動粘度取值大小為0.001 181,換算得到巖層的滲透率見表1。

漿液水灰比對漿液擴散的距離影響較大。當水泥漿液的水灰比介于1.0～2.0時,水泥漿液為牛頓型流體[25]。取水灰比為1.0,1.5,2.0的漿液,使用NDJ-79旋轉式粘度計進行絕對粘度測試,獲得了不同水灰比漿液性質,同時通過天平和量筒稱量計算獲得了漿液密度,使用維卡儀對初、終凝時間進行了測試,結果見表2。

1.3 巖溶裂隙發育程度與滲透系數

王禹等對巖溶發育程度進行分類和評價,在漿液確定的前提下,灰巖的滲透系數和巖溶裂隙發育程度會影響灰巖的漿液可注性[26]。鉆孔巖溶率高,單孔出水量較大,巖層滲透系數高于7 m/d,巖溶含水層的空間結構呈現溶孔網絡狀,巖溶裂隙發育,單位體積注漿量較大時,為完全可注型巖層;巖層滲透系數中等,鉆孔出現部分巖溶,含水層空間結構呈溶隙網絡狀巖溶發育程度中等,儲水空間小,滲透系數為1～7 m/d時,為部分可注型巖層;鉆孔巖溶率低,單孔出水量小,巖層滲透系數低于1 m/d,巖溶空間結構以單一裂隙或溶隙為主,巖溶裂隙發育程度弱或者無,單位體積注漿量小,注漿泵送壓力無法降低時,為不可注型巖層?；規r含水層空間結構如圖1所示。

圖1 灰巖含水層空間結構Fig.1 Spatial structure of limestone aquifers

2 灰巖鉆探裸孔注漿模型的建立

2.1 裸孔注漿模型

采用COMSOL Multiphysics中地下水流模塊,進行定向注漿裸孔段漿液在灰巖巖溶裂隙體內的擴散形態及特性分析,探究滲透率變化對灰巖注漿擴散的影響。在邱集煤礦底板徐灰含水層治理的實際鉆探-注漿工作中,水平多分支鉆孔采用三開形式的鉆孔結構,一開打直,二開、三開控制鉆進軌跡,鉆機在到達指定治理灰巖時,鉆探方向呈近水平向前。使用鉆機繼續沿順層鉆進,每隔100 m或遇有漏失量較大時,抽出鉆機進行注漿。鉆探路線與鉆探裸孔如圖2所示。

圖2 注漿鉆探裸孔示意Fig.2 Sketch of grouting drilling bare holes

2.2 模型建立

根據黃河北煤田邱集煤礦的實際情況,建立長和寬分別為170 m×100 m的模型,如圖3所示,模型注漿管路30 m,鉆探裸孔100 m,注漿管路設置在上下邊界的中間位置,縱坐標為0,注漿口設置在離模型左側邊界30 m的位置,坐標為(0,0)。

圖3 模型概圖Fig.3 Model overview

選擇注漿孔口為壓力入口邊界,根據邱集煤礦底板徐灰含水層的注漿治理工程,由圖4及式(6)可知,含水層的注漿孔口壓力為4.6～8.4 MPa,選取中值6.5 MPa的注漿孔口壓力進行模擬分析。

P0=Pm+γH/100-h/100

(6)

式中P0為注漿孔口壓力,MPa;Pm地表注漿總壓力,MPa;H為注漿段中心處距孔口高度,m;h為注漿段中心的水柱高度,m。

因漿液僅在灰巖內部滲透擴散,該模擬過程中不存在漿液溢出灰巖巖層的情況,故將模型的上下左右邊界設置為無邊界;注漿管路處設置為無通量邊界,鉆探裸孔為飽和度為1的地下水。

徐灰巖層是黃河北煤田11煤層的頂板四五灰含水層,對表1進行線性擬合,弱滲透率巖體滲透系數為1 m/d時,滲透率為1.18×10-12m2,為防止滲透系數選取過低導致一定時間內,注漿滲透效果不明顯,故選取略大于1.18×10-12m2的數值1.2×10-12m2。同理,對中等滲透率巖層的模擬選擇略大于范圍中間值5.4×10-12m2,強滲透率巖層數值大于8.3×10-12m2,選取略大的8.9×10-12m2,所選數值均符合擬合結果。選取灰巖滲透率為1.2×10-12,5.4×10-12,8.9×10-12m2進行研究。

3 不同滲透率巖層漿液擴散特性

因純水泥漿液在15 h左右會發生初凝,24 h左右發生終凝。所以在對模型求解時,時間步設置為1 h,時間長度為24 h。瞬態求解器用于計算場變量隨時間變化的情況,場變量是漿液體積分數。用水灰比1.5∶1漿液、注漿壓力6.5 MPa注漿24 h,漿液擴散情況如圖5所示。

從圖5可以看出,不同滲透率巖層的漿液擴散形態差別較大,滲透系數為1.2×10-12m2時,漿液向鉆探裸孔的驅水注漿效果明顯,但注漿孔向四周巖層擴散效果較差;滲透率為5.4×10-12m2和8.9×10-12m2時,漿液向巖層四周擴散范圍遠大于滲透系數為1.2×10-12m2的巖層,滲透率的微小變化對漿液擴散形態及面積影響較大。

滲透率為1.2×10-12m2時,鉆探裸孔內的漿液較難滲透進入巖溶孔隙,漿液向裸孔兩側的巖溶孔隙中驅水擴散僅10 m左右,遠低于滲透率5.4×10-12m2和8.9×10-12m2時的18 m和22 m,如圖6(a)所示;滲透率為8.9×10-12m2時,漿液在孔口橫向擴散的距離為45 m;滲透率為1.2×10-12m2時,漿液在孔口橫向擴散距離僅為20 m,漿液擴散形態沿裸孔呈細長狀。這是由于裸孔中的漿液壓力可為漿液沿裸孔流動和漿液向灰巖圍巖擴散提供動力,沿裸孔流動所需的漿液壓力小于漿液向灰巖圍巖擴散需要克服的壓力,故漿液先沿著裸孔流向裸孔兩端,漿液在裸孔兩端的灰巖圍巖擴散到一定程度后,才在裸孔中段的灰巖圍巖中進行擴散,故漿液擴散主要集中在裸孔兩端,且巖層滲透率越高,兩端漿液擴散現象越明顯。鉆探反方向的漿液擴散距離同樣遠低于滲透率高的巖層,漿液體積分數均從裸孔兩端開始向外驟減,如圖6(b)所示。

圖7為不同滲透率巖層漿液擴散面積模擬結果,從圖7可以看出,滲透率1.2×10-12m2和8.9×10-12m2的漿液擴散面積最大差值為1 548.1 m2,灰巖滲透率增加3.5×10-12m2時,漿液擴散面積增加300～500 m2,說明灰巖注漿漿液的擴散面積受滲透率影響較大,滲透率的小幅改變能引起較大的擴散面積變化。注漿孔口漿液擴散形態差異明顯,說明灰巖注漿漿液的擴散距離受滲透率影響較大。

圖7 不同滲透率巖層漿液擴散面積模擬結果對比Fig.7 Comparison of slurry diffusion area simulation results across permeability-varying rock formations

4 漿液擴散形態

由于鉆探裸孔是邊界規則且完整充滿水,相對于其他域內漿液驅水擴散的阻力小,漿液易擴散。注漿1 h左右,橫坐標方向上,漿液沿鉆探裸孔方向擴散的距離,遠大于漿液向兩側和鉆探反方向的擴散距離;縱向坐標方向上,以裸孔為軸線,裸孔兩側漿液擴散的形態及面積基本相同;橫向坐標離注漿孔越近,漿液擴散邊界距裸孔軸線越遠,呈水滴形狀擴散,如圖8所示。

圖8 不同時間漿液擴散形態Fig.8 Slurry diffusion morphology at different period

由注漿6 h時和12 h時的漿液擴散形態對比可知,漿液沿鉆孔鉆探方向呈錐形尖端向前已到達鉆探裸孔頂端,漿液擴散速度明顯衰弱;但是裸孔的兩側擴散面積在擴大;沿鉆探反方向漿液擴散仍在繼續,鉆孔兩側擴散呈對稱形狀。在注漿達到20 h后,漿液擴散面積基本穩定,漿液擴散面積的增量逐漸減小至每小時個位數。

同時,漿液驅水過程中,漿液與水混合被稀釋,體積分數下降,形成由內向外體積分數逐漸降低的漿水混合區,如圖9所示。

圖9 漿液擴散形態Fig.9 Slurry diffusion morphology

5 工程實踐

邱集煤礦是黃河北煤田第一對試驗型礦井,目前主采11煤層,該煤層受到頂板四五灰、底板徐灰和奧灰巖溶承壓水的威脅,安全風險較大。為防治礦井水害,礦井采用定向注漿技術對頂板四五灰和底板徐灰含水層進行了注漿改造。其中,對一采區三塊段底板徐灰改造過程中的注漿孔和水文觀測孔布設方式如圖10所示。

圖10 D11鉆孔與水文觀測孔位置平面示意Fig.10 Schematic of D11 borehole and observation hole

通過徐灰巖層的前期抽水試驗,分別獲取了滲透率為1.2×10-12,5.4×10-12m2和8.9×10-12m2附近不同地段的現場數據,并對所得數據進行分析,圖11為注漿現場情況。

圖11 施工現場Fig.11 Construction site

借助圖9中水文觀測孔中的水壓變化獲得了徐灰含水層注漿漿液的實際擴散距離,見表3。模擬擴散距離為COMSOL Multiphysics獲得的數據。

表3 注漿擴散數據對比Table 3 Comparison of grouting diffusion data

由表3可知,在滲透率為1.2×10-12,5.4×10-12m2和8.9×10-12m2附近的徐灰含水層巖溶區域,漿液實際擴散距離稍小于漿液模擬擴散距離,主要是因為實際灰巖巖溶裂隙開度、粗糙度不一等實際原因所致,基本驗證了模擬研究結果的準確性。

6 結 論

1)基于COMSOL Multiphysics建立了含水層鉆探裸孔注漿模型,分析了裸孔注漿漿液擴散特性。隨著時間的推移,漿液擴散呈孔口位置擴散距離遠、裸孔末端擴散距離近的特征,漿液擴散形態呈水滴狀。

2)對不同滲透率灰巖的漿液擴散過程進行模擬,滲透率增加3.5×10-12m2時,漿液擴散面積增加300～500 m2,注漿孔口漿液擴散形態差異明顯,說明漿液的擴散面積受滲透率的影響較大,滲透率的小幅改變也能引起擴散面積的較大改變。

3)滲透率為8.9×10-12m2時,漿液在孔口橫向擴散的距離為45 m;滲透率為1.2×10-12m2時,漿液在孔口橫向的擴散距離僅為20 m,擴散形態呈細長狀。漿液先流向裸孔兩端,在裸孔兩端的灰巖圍巖擴散到一定程度后,在裸孔中段的灰巖圍巖中繼續擴散。漿液擴散主要集中在裸孔兩端,且巖層滲透率越高,兩端漿液擴散現象越明顯。