三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究

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1、三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究第l7卷1期2005年2月中国煤田地质COALGEOL0GYOFCH玎AVol_l7No.1Feb.2005文章编号:10049177(2005)010022-04三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究王万顺,耿玉岭,范运岭(河南省地球物理工程勘察院,河南新乡453000)摘要:在某高速公路采空区优化治理与质量检测研究课题中首次采用三维渗流方程对采空区冒落带,裂隙带的注浆过程进行了数值模拟,其结果令人满意.根据设计的注浆压力和地层条件,利用数值模型来求得注浆量及注浆半径(fiZ括冒落带和裂隙带),为优化设计提供依据.关键词:数值模拟,采空区,冒落带,注

2、浆中图分类号:0242:TU473.1文献标识码:A1注浆计算模型的建立采空区充填注浆力求用较小的压力,达到较大的扩散距离,其中浆液的流变性对注浆工程起着十分重要的作用.对于一般的采空区注浆孔,要求浆液具有较好的流动性,因为流动性好,浆液流动时的压力损失就小,因而能自注浆点向外扩散更远;但对位于采空区治理边界的帷幕孔,反而要求浆液具有较小的流动性,以便控制扩散和降低浆液的损耗.研究表明:采空区充填注浆的浆液按其流变性为牛顿型或流塑型(宾汉流体),一般认为,浆液在孔隙中流动时,其雷诺数不会超过临界值,因而浆液的流变性可用层流条件下的流变参数表达.采空区上覆岩层,自下而上由冒落带,裂隙带和弯曲带组

3、成.弯曲带一般裂隙不太发育,注浆层位多是采空区的冒落带和裂隙带.根据钻孔揭露情况,大部分冒落带岩心多成碎片状,极易破碎,裂隙孔隙杂乱无章.在注浆模拟时,只能将其作为均质各向同性的岩层处理,假定浆液在其中的运动服从达西定律和质量守衡定律.对此可建立相关的数学模型.按照采空区注浆井流的特点,数学模型采用三维)E121,Y,z,),y,z)12,扛0(I)IJ),z)=p,y)Er,0l(r)一Qlx,z0式中:P为地层中浆液流动压力,MPa;为地层渗作者简介:土万顺(1964一),男,高级1.师,1987q-f于西安地质学院.从事物探测作收稿日期:2004一II10责任编辑:葛唬云透率,m;为浆液

4、粘度,Pa/.s;为地层和浆液综合弹性系数,1/MPa;为孑L隙度;为地层初始压力,MPa;为浆液扩展的外边界;rw为注浆井孔的半径,m;为注浆井壁边界;为渗流区域;Q为注浆量,m;口为单位转换系数(8.64x10-5).M为受注段长度,m.2-有限元方程的建立Jx71_(i+CiCi+(66j+CiCj+)+(6b+cc+d)+(6b+cc+fzd.)Pm+,(2OPi+OP.+等+鲁I:.(2)等可用差分式代替(f.同理可写出其他结点的有限元方程,就形成了有限元方程组.3注浆区域的剖分与求解把三维注浆区域直接剖分成川面体单元,不仅难以绘出醒目的图示,而且会使输入的信息数量太大,因此住实际上

5、都采用组合单元,最常用的是六面体单元,每个六面体组合单元又u剖分成五个L面体单元(有两种不同的剖分形=I=)只要输入组合单元的信息,町由计算机n动削分成基本L面体单元进行计算,町按曲种削分形卜算系数矩阵,中其=生+生+勰1期王万顺,等:三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究取每个系数的平均值.六面体组合单元的剖分也是有计算机自动完图2平面上的剖分示意图Figure2Diagrammaticillustrationofplanardissection成的,剖分的原则是在平面上以井为中心径向剖分(夹角为10.);再以井为园心,做不同半径的同心园剖分,由井中心向外按对数差值进行(图2);在垂向上,

6、以Z为步长进行剖分,注意冒落带,裂隙带,和弯曲带的划分(图3).这样善就把整个注浆区域剖分z成不同大小320.340.0.20.40.图3垂向上剖分示意图Figure3Diagrammaticillustrationofverticaldissection的六面体组合单元.利用超松驰迭代方法求解有限元方程组.4采空区注浆数值模拟实例分析利用上述模型对采空区注浆模拟,首先要确定图4注浆数值模拟流程图地层的渗透系数,可根据压水试验求出地层渗透系ngure4Gmu6IIg眦山a6onn.Wchan】,【兰兰表.注浆孔注浆模拟参数和模拟结果表,段漏水量与段长和压TabIlBorehanalogousp

7、arametersandsimlIl.tedresults力的乘积之比):ct,:(3)式中:Q为钻孔压水的稳定流量,1/min;S为试段压水所施加的总压力值,m;Z为试段长度,m.再按下式近似计算岩层的渗透系数:K=0.525(tJlgf4】r,式中:r为钻孔半径.有了地层参数和注浆实际水灰比测定出的浆液粘滞系数,就可利用数值模型模拟注浆孔的注浆过程.若注浆孔四周相邻注浆孔已经注浆,其边界可作为隔水边界;若还没有注浆,其边界作无限边界处理具体模拟流程见图4.表l为B82孔及C75孔模拟参数,图5一图8模拟结果.曼暑豳:划注浆时问/min图5(B82)模拟的注浆量与实际注浆量对比图Figure

8、5(B82)Comparisondiagramofsimulatedandactualslurrycapacity中国煤田地质第l7卷警l5妇甚鼍警l5妇l1裂缝带高鏖,1,.,冒落带高度,.,L_.020柏100120140距注浆孔的距离/m图6(B82)注浆高度图Figure6(B82)Groutingaltitude0100湖3锄咖700注浆时问/rain图7(C75)模拟的注浆量与实际注浆量对比图Figure7(C75)Comparisondlagrainofsimulatedandactualslurrycapacity05lo15卫30再40西锄距注浆孔的距离,m图8(C75)注浆

9、高度图Figure8(C75)Groutingaltitude通过上述部分注浆孔注浆过程的模拟,可看出数值模型是比较符合注浆实际情况的.注浆量主要与地层的渗透性有关,冒落带的渗透系数比裂隙带大,其注浆半径明显变大.在模拟过程中还表现m日j歇注浆的优点,在暂停注浆的过程中,浆液产牛j=)c淀,凝固,使已注地层渗透忤减小,防l卜扩敞造成必要的浪费例如Bl8孔,符陔孔连续浆,浆i|暄距注浆孔的距离/m图9B18孔连续注浆与间歇注浆高度对比图Figure9BI8boreholecomparisondiagramofaltitudebycontinuousandintermittencegrouang燃

10、01啪1鼬oD锄锄4OOO注浆时问/min图10B18孔连续注浆与间歇注浆量对比图Figure10BI8boreholecomparisondgramofslurrycapacitybycontinuousandintermittencegrouang为525.38m,而间歇注浆的实际注浆量则为290.50II1,连续注浆比间歇注浆量增大1.81倍左右,但仍没有完全达到停止注浆的要求,导致注浆半径扩大很多(图9).冒落带的注浆半径扩大245m,裂隙带的注浆半径扩大8.6m.这说明地层(冒落带,裂隙带)渗透性越大,间歇性注浆效果越好.总之,通过注浆孔的压水实验求得地层参数和根据实际水灰比测定出的

11、浆液粘滞系数,利用本模型能比较详细的模拟注浆的全过程.根据设计的注浆压力和地层条件,可以求得注浆量及注浆半径(包括冒落带和裂隙带).当注浆渗流模型应用于新工区进行模拟时,能够确定注浆孔距和注浆参数,为优化设计提供依据.参考文献:【l】孙纳地下水流的数值模拟和数值方法IM】-JE京:地质版社,l981211I丌铭,万力.各Ihl芹性裂c介质渗透的研究卜j泮价IM】JE京:学箢fn版社,1089.f3j地质部水文地质f地质技术力法队.水史地质r册fMjEj:地质版f.1078.幻幻幻0乓髓坦划卸暑惯恤ol期王万顺,等:三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究25AStudyoll3DSeepage

12、FlowModelSimulatedAbandonedWorkingsGroutingHarnessingProcessWangWanshun,GengYulingandFanYunlingHenanGeophysicalEngineeringProspectingInstitute,Xinxiang,Henan453000)Abstract:Inaresearchtopicofabandonedworkingsoptimizingcontrolandqualitydetectionunderanexpressway,weusethe3Dseepageflowequationonnimeric

13、Manalogofgroutingprocessincavingzoneandfracturedzoneuponabandonedworkingsforthefirsttime,andtheresultisallthatcouldbedesired.Accordingtodesignedgroutingpressureandgeologicalcondition,tousenumericalmodelappliesforslurrycapacityandgroutingradius(includingbothcavingzoneandfracturedzone),thusprovideabas

14、isforoptimizeddesigns.Keywords:numericalanalog,abandonedworkings;cavingzone;grouting(上接第13页)中南部和东部较早地发育了泥炭沼泽,而北部则有沉积,而后逐渐向北发育了泥炭沼泽.在其它各煤层沉积时,本区的地形经过延安组第一段和第二段下部的沉积,变得比较平缓,但南部仍稍低于北部,矿区西部北西一南东向背斜已不复存在,但北部策底南的东西向背斜仍然对各煤层沉积起控制作用,使得各煤层在其背斜轴部缺失或变薄.南部较低的地方,由于水体较深,各煤层都缺失.这种构造格局,使得湖泊淤浅,水退过程从北向南进行,各煤层的沉积也从北向南

15、进行.5.3古气候的控煤作用在延安组第一段煤沉积时,本区为温暖潮湿的气候,既有利于植物生长,又有利于泥炭的堆积,为煤的形成提供了充分的物质保证.且长时间地保持温湿的气候条件,使泥炭沼泽长期而稳定地发育,从而形成了巨厚煤5的沉积.在延安组第二段沉积时,为周期性的温湿气候条件,形成了间距比较稳定的其它各煤层,但这种条件持续时间较短,形成的煤层比较薄.另外,混浊水体常会将大量的细悬浮物质带入沼泽,从而形成炭质泥岩或高灰煤.当然,形成可采的,优质煤层的因素是综合的,复杂的,多样的,是上述诸多条件在时间上,空间上长期稳定综合作用的结果.参考文献:【l】甘肃省煤用地质146队.甘肃省华亭矿区砚北井用精查(

16、勘探)报告JR.平凉:甘肃省煤阳地质146队,1990.【2】甘肃省煤用地质146队.甘肃省华亭矿区白草峪井用精查(勘探)报告tq.平凉:甘肃省煤用地质146队,1994.【3】甘肃省煤用地质研究所.华亭矿区构造及控煤规律研究JR.兰州:甘肃省煤用地质研究所,1992.【4】武汉地质学院煤用教研室编.煤用地质学【M】(上,下册).北京:地质出版社.1981.【514=国力,等.华亭含煤岩系成因地层分析及其主煤层成因【R】,兰州:甘肃省煤用地质研究所,1995.CoalAccumulatingHistoryandCoalControllingFactorAnalysesintheHuatingM

17、iningAreaShenShulongGansuBureauofCoalGeology,Lanzhou,Gansu730000)Abstract:ThepapermadeasummaryonstructuralcharacteristicsoftheShangjingminefieldhytheuseofgeologicaldatafromexplorationintheminefieldandminingproduction.Figuredoutthatthemainstructureformintheminefieldisfold,whilethedistinguishingfeatur

18、eisconvolutefold.ThecomplicatedstructuralframeworkWasformedaftermultipletectogenetiemovements.Fourstagesofformingprocessesmaybe,summedup:coalhasinformingstage;firstorderfoldsandoverthrustsformingstage;secondandthirdorderfoldsandaseriesofnormalfaultsformingstage;tectonicsystemstmking,remoldingandshapingstage.Keywords:convolutefold;structuralcharacteristics;geneticanalysis;Shangjingminefieht