動水流速對漿液留核穩(wěn)定性的影響研究.docx

1、doi：10.11799/ce201810036動水流速對漿液留核穩(wěn)定性的影響研究李金華，岳鵬舉，蘇培莉，陳籽涵，段東，孫冠臨(西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安710054)摘要：文章通過有限元數(shù)值模擬和室內(nèi)動水注漿試驗，分析了水流速度對單裂隙注漿留核穩(wěn)定姓的影響。研究結果表明：動水繞流后會產(chǎn)生典型的尾跡流現(xiàn)象，初始流速越大產(chǎn)生的尾跡流越混亂，對留核產(chǎn)生的擾動越大；當初始流速大于等于0.lm/s時，尾跡流呈紊流流態(tài)，對留核穩(wěn)定性影響較大，當初始流速小于0.lm/s時，尾跡流呈層流流態(tài)，對留核穩(wěn)定性影響較小。關鍵詞：動水流速；尾跡流；數(shù)值模擬；注漿試驗中圖分類號：TD265.4文獻標識碼

2、：A文章編號：1671-0959(2018)10-0154-03InfluenceofdynamicwatervelocityonthestabilityofslurrydepositionzoneLIJinhua,YUEPeng-ju,SUPei-li,CHENZi-han,DUANDong,SUNGuan-lin(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi*anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710054,China)Abstract:Waterflowvelocityisakeyparamete

3、rinthedesignofdynamicwatergrouting,whichisthemainfactoraffectingthegroutingeffectofhydrodynamicwater.Inthispaper,theeffectsofwaterflowvelocityonthestabilityofsingle-fracturegroutingslurrydepositionzoneareanalyzedusingGniteelementnumericalsimulationandindoordynamicwatergroutingtest.Theresultsshowthat

4、thetypicalwakeflowphenomenonoccursafterthemovingwaterflows.Thelargertheinitialflowvelocity,themorechaoticthewakeflowis,andthegreaterthedisturbancetotheslurrydepositionarea.Whentheinitialflowvelocityisgreaterthanorequalto0.lm/s,thewakeflowisinaturbulentflowregimeandhasagreatinfluenceonthestabilityoft

5、heslurrydepositionzone.Whentheinitialflowvelocityislessthan0.lm/s,thewakeflowisinalaminarflowregime,whichhaslittleeffectonthestabilityoftheslurrydepositionzone.Keywords:dynamicwaterflowrate；wakeflow；numericalsimulation;groutingtest煤礦開采中，突水和涌水作為一種常見的水害，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。注漿法作為一項主要防災手段，具有不剝奪地下水資源，不破壞生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點

6、，它已經(jīng)成為煤礦防治此類水害的一種有效手段。水流速度是動水注漿設計中的關鍵參數(shù)，它的設計是否合理，直接影響到動水注漿效果和治理成本。因此進行動水注漿之前.必須弄清楚水流速度與注漿效果(即留核穩(wěn)定性)之間的規(guī)律。目前，有專家學者對煤一巖體裂隙的注漿問題展開了研究。李金華等研究了漿液沉積壓力曲線性質(zhì)，提出了一種注漿效果評價方法。劉嘉材、湛鎧瑜、田美霓分別研究了牛頓型漿液的擴散方程。羅平平研究了賓漢漿液在平板和傾斜裂隙中的流動規(guī)律。阮文軍I”：基于漿液粘度時變性推導注漿擴散方程。谷拴成等研究了壁后注漿壓力與堵水效果的關系。張改玲研究水流速度對化學漿液擴散的影響。郭東明等針對聚氨命材料進行了材料性能試

7、驗，物仁樹等基于自主研發(fā)的注漿系統(tǒng),展開一系列注漿材料的研究。王茂盛等展開了一系列水泥基新型無極注漿材料的試驗研究。收稿日期：2018-08-18基金項目：國家自然科學基金資助(51508462)作者簡介：李金華(1977)，男，山東滕州人，副教授，主要從事巖石力學方面的教學及研究工作，E-mail：nxljh©o引用格式：李金華，岳鵬舉，蘇培莉，等.動水流速對漿液留核穩(wěn)定性的影響研究J.煤炭工程，2018,50(10)；154-156.綜上所述，目前關于動水注漿理論和實踐的研究尚處于初步發(fā)展階段。本文在總結前人研究成果與成果中的不足后，通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗.重點對動水流速與留核穩(wěn)

8、定性的聯(lián)系展開研究c1數(shù)值分析抓能距肉/m擴敝耳訥/m(bXM5m、5OO.擴散岫m(dN).3ms在:仃限元軟件分析之前,將流場模型設置為寬Im、長2m的距形平而市先模擬漿液在裂隙中的擴敝形態(tài).解擴散規(guī)律漿液材料，多相流計算模型選取、'()!.模型,采取隱式計算方法.將動水水流設置為基礎相.模擬材料設定水依比為0.X的水泥漿液.注漿壓力為0.IMPa.裂隙升度5mm.對動水流速分別為0.Irn/s,0.15mA.0.2ni/s.0.32、時的注漿過程進行模擬.其擴散結果如圖1所示山圖I可知，圖中中間區(qū)域發(fā)示漿液形成的沉積堵水留核.周邊區(qū)域代&動水.在中間和周邊之間核雜的核漿液

9、受動水影響產(chǎn)生的漿一水分層擴散風.在:動水條件卜漿液的擴散形態(tài)在注漿之初為水滴形,隨符漿液的不斷在入.擴散形態(tài)逐漸山水滴形向倒11形轉變.并IL沉枳避核越大,能夠形成有仃效堵水的X域越大.因此根據(jù)此模擬得到的漿液擴散形態(tài)在流場中川塊米徑為().I5m的液圓形X域代表漿液留核的前半段.這樣就町以清晰的看到動水繞流后的變化;使川：角形網(wǎng)格對流場進行單元劃分.伽核邊界處加密好分.這樣叩以提高計算精度；流場入II的邊界條件定義為速度人II對流速分別為0.Olni/s.0.()5in/s、0.lm/s、0.5m/s.Ini/s、5m/»時的動水繞流進行模擬為了取得度好的模擬結果.迭代采njns

10、on法.設定迭代步數(shù)為0000步,步間W>0.01s.得到不同動水流速F.流場內(nèi)的速度速度勺發(fā)圖.研究動水水流住繞過件核時速度大小與方向的變化模擬結果小圖2(a)(f)所示.訶以看!I；動水初始流速不同.繞流后產(chǎn)牛的IK跡流漩渦.流速和紊流X大小亦不同1不同動水流速下漿液擴散圖A7m(e>不同流速下動水繞流的速度流線與云圖總結圖2可以知道,在注漿孔左側的漿液逆水擴散區(qū)域一動水與漿液的接觸面處，動水流速明顯減慢.動水在川核左的時流速比較秘定，為層流狀態(tài)沉積留核將原先的動水流動路徑分成上下兩個部分.動水受到沉枳御核的阻攔改變流向沿著M核邊界流動,因為受沉枳御核的影響，動水水流在繞過物核

11、的過程中.由原先近似內(nèi)線流線的變?yōu)榍€.流動狀態(tài)也由漸變流向急變流轉變.流動路徑變窄,所以在沉枳留核的A側偏注漿孔位置的動水流速明顯加快,隨若動水流速的增大，該處的流速也隨之增大由于刑核的存在.動水在繞過刷核時不論流速大小均會產(chǎn)生尼跡流現(xiàn)象，但.流速越大繞流后流速和流向的變化也隨之增大，即傳留核產(chǎn)生的擾動越大對圖2(f)進行分析.當流速為0.01m/8時.動水繞過引核后速度分布均勻仍能以層流狀態(tài)繼續(xù)流動4：御核右側形成小范圍的漩渦,素流區(qū)流速范圍：0.0010.008m/s.小于初始流速；對圖2(d)進行分析.當流速為0.Im/s時，動水在繞過御核后各處速度分布不均勻.呈波浪型流動狀態(tài).整體呈

12、紊流狀態(tài)，素流區(qū)流速范IH：0.02-0.I6ni/s,共最大伉已近超過初始流速光流速分別為0.5mA、lm/s和5m/s時.紊流區(qū)流速范圍分別為0.15-im/sx0.251.8m/s、0.99ni/s.nf以石出初始流速越大動水繞過W核后就會產(chǎn)生擾動越大.流態(tài)由層流向素流轉變井11影響后面的動水產(chǎn)生擺動的尼流曜流的變化主要取決于流速.而逐諾數(shù)的大小反映流速的變化.當宙諾數(shù)較小時,擾動在流體粘性控制范圍內(nèi).被轉化成熱能消耗掉;當窗諾數(shù)較大時.流體粘性無法抑制擾動.就公產(chǎn)牛.流動失穩(wěn)2室內(nèi)試驗試驗采用1*1匕設計的模擬裂隙動水注漿試驗平臺進行，該乎K由模擬裂隙系統(tǒng)、注漿控制系統(tǒng)、動水水源系統(tǒng)、

13、試我框架系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試撿監(jiān)控系統(tǒng)組成純水泥漿液在裂隙中的擴散方式大致nlUI為兩類:第類是漿液進入裂原之后JF始擴散以注漿孔為中心向外依次是沉枳留核區(qū)與漿一水分層擴散X,即水泥漿液在擴敞過程中產(chǎn)生r析水現(xiàn)象;第二類是漿液進入裂隙后以駟替擴敬的模式流動.漿液的沉枳御核區(qū)遠大F漿一水分層擴散IK無論是哪種擴散萬式.沉積留核區(qū)始終是注漿堵水的關鍵區(qū)域.通過試驗發(fā)現(xiàn)沉枳劇核區(qū)越大堵水效果越好.究。原因是該處水泥漿液受動水影響較小，沉積解核區(qū)內(nèi)水泥漿液中顆粒容易沉淀ifiifl仃不斷地注漿斥力和漿液幫助其擴散.乂因為漿液的黏度、密度均大于水.從而形成K由一定高度具，堵水效果的沉枳解核；漿一水分層

14、擴散是沉積留核區(qū)的附帶區(qū)域.其生成原因是水泥漿液受動水沖刷產(chǎn)生r析水,使水泥顆粒迅速下沉，jfu該區(qū)域處f漿液與動水的混ok.漿液與動水間存在流速差.由丁密度的差異.動水將漿液中多余的水分帶走.而水泥顆粒沉積于此采用純水泥漿液,在相同注漿壓力(0.IMPa)、水.比(1.0)、開度(5mm)、傾角(0。)的條件下進行,動水流速范圍：0.01-0.50m/s.試驗結果如下:漿液的擴散形態(tài)在注漿之初以桐圓形擴敞,逐步出現(xiàn)漿液的沉積留核區(qū).與漿一水分層擴散【婦隨并漿液不斷增加.擴散形態(tài)漸漸變?yōu)樗涡尾⑾騏形轉變，擴散'K徑約為0.19m,其中沉積御核區(qū)越大堵水效果越好.但是繞流后的動水對沉枳

15、御核邊界沖刷，使留核的穩(wěn)定性受到影響'，動水初始流速約為().IO3m/s.動水繞過沉枳劇核后.甘州核邊緣產(chǎn)生較強的擾動.留核邊界呈波浪形分(a)L0.103nVs(b)v=0.02ims圖3動水繞流對留核邊界擾動圖布.如圖3(”)所示.較大的動水流速使沉積留核的穩(wěn)定性卜降.不易獲得依好的注漿堵水效果半將初始流速約為0.OZlin/s,動水繞將后并沒有使留核產(chǎn)生波浪形的邊界.由漿液自身的粘素力,足以抵抗動水繞流后產(chǎn)生的擾動.因此淅核邊緣近似為線型,更易任得較好的注漿堵水效果.如圖3(1>)所示.3結論木文通過數(shù)值模擬段對動水流速Lj留核穩(wěn)定性間的聯(lián)系展開研究，并采用室內(nèi)試驗對結果

16、進行驗證,主要結論如下：1) 動水流速越大.繞流后的流速和流向變化越大.對所核產(chǎn)生的擾動越大2) 繞流過程中會產(chǎn)生足跡流現(xiàn)象.繞過留核后各處速度分布不均勻.初始流速越大.產(chǎn)生的兄跡流越混亂3) 、，初始流速較小時.漿液自身存在粘聚力,動水對留核產(chǎn)生的擾動較小參考文獻：1 宇金華.孫冠臨，方;培枕.等.動水注漿沉積HUJ特征勺注漿效果試驗研究J.礦業(yè)安全勺環(huán)保.2017.44(6)：21-24.2 劃由材.裂隙注漿擴m*徑研究k中國水利水電科學院科學研究論文院.北京:水利水電出版社.1982.3 湛鎧瑜.刷旺華.高ft.單裂隙動水注漿擴M模型J.巖土力學.2011.32(6):1659-1663

17、.1689.4：用美慰.砂慮漿液黏度時變性的單裝原動水注漿擴散模邸J.爪慶交通大學學報(自然科學版).2011.30(SI)：536-537.669.5：羅平平.李志平.范波.等.傾斜單裂隙宣漢漿液流動模型理論研究J.山東科技大學學報(fl然科學版).2010.29(I)：43-47.6阮文軍.注漿擴散。漿液若干基本性能研究J.咒t(：程學報.2005(1):69-73.1.阮文*：.堆卜漿液粘度時變性的宕體裂隙注漿擴做模型JJ.巖石力學與程學報.2005(15)：2709-2714.【8谷拴成.蘇培莉.樊志成.等.注漿技術在煤礦加固防滲中的應用J.煤炭I.程.2009.41(4)：60-62.9谷拴成.蘇培莉.明金滿.等.注漿漿液配方的優(yōu)化設計與應用J.煤炭科學技尖.20W.37(7)：46-49.10張改玲.湛荒瑜，隋旺華.水流速度對單裂隙化學注漿漿液擴散影響的試羚研究J.