岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1957-1966.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0958CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.0958

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浆−水置换效应下含水砂层渗透注浆扩散机制

朱先祥1,张琦2,马俊鹏1, 3,王永军3,孟凡贞3   

  1. 1. 山东科技大学 能源与矿业工程学院,山东 青岛 266590;2. 澳门大学 土木与环境工程系,澳门 519000; 3. 兖矿能源集团股份有限公司,山东 邹城 273500
  • 收稿日期:2024-08-05 接受日期:2025-01-05 出版日期:2025-06-11 发布日期:2025-06-10
  • 通讯作者: 张琦,男,1994年生,博士,助理教授,从事岩土工程、多孔介质渗流等相关方面的研究。E-mail: qzhang@um.edu.mo
  • 作者简介:朱先祥,男,1993年生,博士研究生,主要从事矿井顶板水害防治方面的研究。E-mail: 15762284095@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目(No.U23A20600);山东省自然科学基金面上项目(No.ZR2023ME066)。

Diffusion mechanism of seepage grouting in water-bearing sand layer under slurry-water replacement effect

ZHU Xian-xiang1, ZHANG Qi2, MA Jun-peng1, 3, WANG Yong-jun3, MENG Fan-zhen3   

  1. 1. College of Energy and Mining Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Department of Civil and Environmental Engineering, University of Macau, Macau 519000, China; 3. Yan Kuang Energy Group Company Limited, Zoucheng, Shandong 273500, China
  • Received:2024-08-05 Accepted:2025-01-05 Online:2025-06-11 Published:2025-06-10
  • Supported by:
    This work was supported by the Regional Innovation and Development Joint Fund of National Natural Science Foundation of China (U23A20600) and the General Program of Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2023ME066).

摘要: 目前针对含水砂层工矿企业大多采用注浆手段进行改造加固,而针对砂层层位准确注浆、固结改造松散含水层,是目前深井厚松散层注浆改造的关键难点。基于此,提出了浆−水置换概念,推导了考虑浆−水置换效应的幂律流体渗流扩散方程,结合试验建立并验证了浆水置换效应下的幂律流体球形渗透注浆扩散机制;通过COMSOL建立了浆−水置换效应下的幂律流体渗透注浆扩散三维数值模型,分析了幂律浆液在含水砂层中的渗流扩散特征,通过分析孔隙率、浆水孔间距、注浆压力对含水砂层体积的影响,得出了影响含水砂层体积的关键因素:注浆压力>浆水孔间距>砂层孔隙率。浆−水置换注浆可以解决高承压水下含水砂层中注浆扩散范围较小、注浆效果差等问题。

关键词: 含水砂层, 幂律流体, 浆?水置换效应, 渗透扩散, 数值模拟

Abstract: Currently, industrial and mining enterprises primarily use grouting techniques to modify and reinforce water-bearing sand layers. Accurate grouting at the sand layer level and consolidation of loose water-bearing layers are key challenges in the grouting modification of deep wells with thick loose layers. This study proposes the concept of slurry-water replacement, derives the power-law fluid seepage diffusion equation considering the slurry-water replacement effect, and establishes and verifies the power-law fluid spherical permeation grouting diffusion mechanism under the slurry-water replacement effect through experiments. Using COMSOL, a three-dimensional numerical model of power-law fluid permeation grouting diffusion under the slurry-water replacement effect was established, and the seepage diffusion characteristics of power-law grout in water-bearing sand layers were analyzed. By analyzing the impact of porosity, grout hole spacing, and grouting pressure on the volume of water-bearing sand layers, the key factors affecting the volume of water-bearing sand layers were identified: grouting pressure > grout hole spacing > sand layer porosity. Slurry-water replacement grouting addresses the issues of limited grouting diffusion range and poor grouting effect in water-bearing sand layers under high water pressure.

Key words: water-bearing sand layer, power-law fluid, slurry-water replacement effect, penetration diffusion, numerical simulation

中图分类号: TD743
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