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【摘要】本文基于静水条件假设，采用数值模拟的方法，定性和定量研究了水灰比、注浆压力对浆液扩散渗透的影响规律。结果表明：水灰比在1.5：1左右浆液性能优越；渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低。
【关键词】静水条件；水灰比；注浆压力；浆液扩散渗透；数值模拟
注浆加固围岩一直是解决破碎巷道支护难题的主要方法，但由于注浆技术的复杂性，影响因素的隐蔽性，国内外对其研究一直不够深入，仍然存在很多问题需要解决，例如浆液的渗透扩散规律以及注浆后期浆材可能对围岩的弱化作用等。目前煤矿注浆加固所涉及的施工参数，一般依靠工程经验和现场试验进行确定，缺乏相关理论的科学指导。本文拟对静水条件下的浆液扩散渗透规律进行数值分析，采用COMSOL Multiphysics研究单一光滑平板裂隙中渗透扩散现象，定性研究浆液扩散距离与注浆压力、水灰比之间的关系。
1、COMSOLMultiphysics简介
COMSOL Multiphysics以有限元为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现单场或多场物理现象的仿真模拟。在弥散、流体动力学、多孔介质、传动现象等几乎全部领域都得到了广泛的应用，计算性能高效、多场双向直接耦合分析能力突出，且仿真结果高度精确。多物理场本质是偏微分方程组（PDEs），通过建立能描述物理现象的PDEs就可以实现多物理场的直接耦合。软件中包含很多预定义的物理应用模式，范围也涵盖多种领域物理场，可以直接选用。
2、数值模型的建立
2.1模型与网格划分。计算模型采用100cm×100cm×4mm，注浆孔直径为φ=10mm，布置在模型中心，采用三角形网格，注浆孔边缘网格自动加密，如图1所示。
2.2模拟参数选择。研究表明，水灰比、裂隙张开度和注浆压力分别代表了浆液属性、受注介质岩体裂隙几何特征以及注浆外界参数。本章用COMSOL软件分别对这三种影响因素设置不同参数研究浆液扩散的规律。
3、水灰比和注浆压力对浆液扩散渗透的影响分析
3.1水灰比。注浆浆液扩散渗透与三种因素有关，浆材自身属性决定了浆液最基本的扩散方式，用Comsol软件模拟水灰比对浆液扩散规律影响时，模型注浆压力均取为10Pa，裂隙张开度取为1.5mm，水灰比分别为0.8：1、1：1、1.5：1、2：1浆液在无动水条件下扩散，每间隔10s进行一次扩散形态以及浆液扩散距离处理，无动水条件下且注浆压力和裂隙张开度均保持不变，浆液扩散范围主要取决于浆液自身属性，在此即表现为水灰比的影响。四组不同浆液水灰比对应浆液有效扩散范围如图2所示：从图2可看到浆液扩散模拟图形呈圆形，有效扩散范围在注浆孔位置轴对称分布；浆液水灰比从0.8：1→1：1→1.5：1逐次增加时，同一注浆时刻浆液扩散距离随之增加，且100s后水灰比为1.5：1浆液扩散距离为34.2cm，较0.8：1的8.1cm和1：1的14.5cm分别增加了近3.25、1.36倍，说明在一定范围内，浆液渗透扩散距离随水灰比增加而显著增加。但当水灰比为2：1时，扩散有效距离却比水灰比为1.5：1时小的多，验证了浆液水灰比在1.5：1左右时性能较优越。
3.2注浆压力。注浆参数很大程度上决定了注浆施工的成败，参数选择不合理，不仅不能满足注浆加固围岩或堵水封闭的效果，还会造成浆材的大量浪费。注浆压力在注浆参数中占据重要地位，模拟注浆压力改变对浆液扩散渗透的影响对其参数选择具有重要的指导意义。因模拟选用模型与建立实物匹配、均较小，注浆压力选择也较小，但其对浆液扩散规律的影响也能正确反映实际注浆施工中大注浆压力对工程的影响。模型中选择10Pa、100Pa、200Pa和500Pa，间隔10s对浆液扩散有效距离进行处理，如图3所示：由图3可知，注浆压力增加时，浆液有效扩散距离也随之增加，但改变甚微，即裂隙注浆渗透扩散有效距离对注浆压力敏感度较小。在注浆施工中一般不通过改变注浆压力来改善注浆效果，因为注浆压力改变对裂隙岩体注浆影响较小，还可能造成裂隙劈裂，进一步破坏围岩稳定性。
4、小结
1）一定范围内，同一时刻浆液扩散距离随水灰比增加而增加；模拟浆液最终扩散距离，水灰比为1.5：1较0.8：1和1：1分别增加约3.25、1.36倍。当水灰比为2：1时，最终扩散距离比水灰比为1.5：1时小，说明水灰比在1.5：1左右浆液性能优越。2）渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低，注浆孔附近递减速率较大，当浆液扩散到一定程度时，渗透压力减小趋于缓慢并且此时渗透压力较小。
参考文献
[1]苗兴城，杜明芳，王广国.压密注浆机理研究与效果检验[J].岩石力学与工程学报，2000，19（5）：670-673.
[2]许茜.注浆材料的抗水性能及渗透注浆扩散规律数值模拟研究（硕士学位论文）[D].山东：山东大学，2010.
[3]李华茂，梁幸福，黄小广.椭圆形裂隙渗透注浆模拟试验研究[J].人民黄河，2010，32（4）：128-129.
作者简介
沈仁为，82年8月，男，安徽六安，本科，淮沪煤电公司丁集煤矿，工程师，开拓修护，邮编：232141
【关键词】静水条件；水灰比；注浆压力；浆液扩散渗透；数值模拟
注浆加固围岩一直是解决破碎巷道支护难题的主要方法，但由于注浆技术的复杂性，影响因素的隐蔽性，国内外对其研究一直不够深入，仍然存在很多问题需要解决，例如浆液的渗透扩散规律以及注浆后期浆材可能对围岩的弱化作用等。目前煤矿注浆加固所涉及的施工参数，一般依靠工程经验和现场试验进行确定，缺乏相关理论的科学指导。本文拟对静水条件下的浆液扩散渗透规律进行数值分析，采用COMSOL Multiphysics研究单一光滑平板裂隙中渗透扩散现象，定性研究浆液扩散距离与注浆压力、水灰比之间的关系。
1、COMSOLMultiphysics简介
COMSOL Multiphysics以有限元为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现单场或多场物理现象的仿真模拟。在弥散、流体动力学、多孔介质、传动现象等几乎全部领域都得到了广泛的应用，计算性能高效、多场双向直接耦合分析能力突出，且仿真结果高度精确。多物理场本质是偏微分方程组（PDEs），通过建立能描述物理现象的PDEs就可以实现多物理场的直接耦合。软件中包含很多预定义的物理应用模式，范围也涵盖多种领域物理场，可以直接选用。
2、数值模型的建立
2.1模型与网格划分。计算模型采用100cm×100cm×4mm，注浆孔直径为φ=10mm，布置在模型中心，采用三角形网格，注浆孔边缘网格自动加密，如图1所示。
2.2模拟参数选择。研究表明，水灰比、裂隙张开度和注浆压力分别代表了浆液属性、受注介质岩体裂隙几何特征以及注浆外界参数。本章用COMSOL软件分别对这三种影响因素设置不同参数研究浆液扩散的规律。
3、水灰比和注浆压力对浆液扩散渗透的影响分析
3.1水灰比。注浆浆液扩散渗透与三种因素有关，浆材自身属性决定了浆液最基本的扩散方式，用Comsol软件模拟水灰比对浆液扩散规律影响时，模型注浆压力均取为10Pa，裂隙张开度取为1.5mm，水灰比分别为0.8：1、1：1、1.5：1、2：1浆液在无动水条件下扩散，每间隔10s进行一次扩散形态以及浆液扩散距离处理，无动水条件下且注浆压力和裂隙张开度均保持不变，浆液扩散范围主要取决于浆液自身属性，在此即表现为水灰比的影响。四组不同浆液水灰比对应浆液有效扩散范围如图2所示：从图2可看到浆液扩散模拟图形呈圆形，有效扩散范围在注浆孔位置轴对称分布；浆液水灰比从0.8：1→1：1→1.5：1逐次增加时，同一注浆时刻浆液扩散距离随之增加，且100s后水灰比为1.5：1浆液扩散距离为34.2cm，较0.8：1的8.1cm和1：1的14.5cm分别增加了近3.25、1.36倍，说明在一定范围内，浆液渗透扩散距离随水灰比增加而显著增加。但当水灰比为2：1时，扩散有效距离却比水灰比为1.5：1时小的多，验证了浆液水灰比在1.5：1左右时性能较优越。
3.2注浆压力。注浆参数很大程度上决定了注浆施工的成败，参数选择不合理，不仅不能满足注浆加固围岩或堵水封闭的效果，还会造成浆材的大量浪费。注浆压力在注浆参数中占据重要地位，模拟注浆压力改变对浆液扩散渗透的影响对其参数选择具有重要的指导意义。因模拟选用模型与建立实物匹配、均较小，注浆压力选择也较小，但其对浆液扩散规律的影响也能正确反映实际注浆施工中大注浆压力对工程的影响。模型中选择10Pa、100Pa、200Pa和500Pa，间隔10s对浆液扩散有效距离进行处理，如图3所示：由图3可知，注浆压力增加时，浆液有效扩散距离也随之增加，但改变甚微，即裂隙注浆渗透扩散有效距离对注浆压力敏感度较小。在注浆施工中一般不通过改变注浆压力来改善注浆效果，因为注浆压力改变对裂隙岩体注浆影响较小，还可能造成裂隙劈裂，进一步破坏围岩稳定性。
4、小结
1）一定范围内，同一时刻浆液扩散距离随水灰比增加而增加；模拟浆液最终扩散距离，水灰比为1.5：1较0.8：1和1：1分别增加约3.25、1.36倍。当水灰比为2：1时，最终扩散距离比水灰比为1.5：1时小，说明水灰比在1.5：1左右浆液性能优越。2）渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低，注浆孔附近递减速率较大，当浆液扩散到一定程度时，渗透压力减小趋于缓慢并且此时渗透压力较小。
参考文献
[1]苗兴城，杜明芳，王广国.压密注浆机理研究与效果检验[J].岩石力学与工程学报，2000，19（5）：670-673.
[2]许茜.注浆材料的抗水性能及渗透注浆扩散规律数值模拟研究（硕士学位论文）[D].山东：山东大学，2010.
[3]李华茂，梁幸福，黄小广.椭圆形裂隙渗透注浆模拟试验研究[J].人民黄河，2010，32（4）：128-129.
作者简介
沈仁为，82年8月，男，安徽六安，本科，淮沪煤电公司丁集煤矿，工程师，开拓修护，邮编：232141