CN113720683B - 一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统，其技术方案为：对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型。本发明能够实现对岩土类注浆材料注浆加固物理力学特性的准确评估预测。

Description

一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统。
背景技术
近年来，煤层采空区破碎岩体很多都采用黄泥等岩土类材料加固，其优点为在注浆加固的同时兼有防火作用。破碎岩体注浆后强度主要来源于岩土类浆液在破碎岩体孔隙、裂隙中渗流充填，并通过黄泥本身的固结排水作用，与破碎岩体形成密实稳定的胶结体。为了评估破碎岩石注浆胶结体的性能，目前对于注浆加固技术、注浆效果检测等方面的研究已取得不少的成果。在采空区或冒落破碎岩层进行注浆充填后往往采用布置监测网、物探、钻探取芯等手段，并通过对取得的破碎岩石胶结体进行力学试验、电镜扫描观察、X射线衍射图谱成分等方法对注浆体强度和注浆效果进行分析评价，但这种检测方法需要在注浆治理一段时间后进行，耗时较长，且若注浆效果达不到预期，再通过改变浆液性能参数或灌浆工艺进行补充注浆，则工期会大大拉长。因此，就需要在注浆前，采用一定的试验方法对注浆加固后破碎岩石胶结体的强度进行预测估计。
发明人发现，针对采空区注浆加固治理效果的预测方法有很多，例如：现有技术公开了一种用于模拟老采空区注浆效果的实验系统，该系统可以提前对老采空区注浆情况进行室内的相似模拟，通过检测实验后注浆结实体强度，达到对注浆加固效果进行预测的目的。但其在进行注浆采空区的相似模拟时，仅考虑了破碎岩体粒径级配、垮落带高度等体积比例缩尺，未考虑注浆加固时间、垮落注浆地层空间分布等相似因素，仅通过制备成型注浆结实体试件，并测试物理力学性质，无法实现对模拟注浆地层不同时间、不同空间分布下破碎岩体注浆加固后物理力学特性的真实预测。
现有技术公开了一种评价不同因素对破碎岩体注浆加固效果的模拟实验方法，其通过对影响注浆加固效果的各因素设计不同水平的正交实验，对各因素进行全面的研究；但该方法针对的是水泥类注浆材料，其正交实验设置的大部分强度影响因素对于黄泥等岩土类注浆材料并不适用，其研究获取的影响因素参数及评价指标关系也无法应用于岩土类材料注浆加固地层物理力学性质的评估预测。
现有技术还公开了一种采空区满管注浆及效果实时检测方法，其根据定量检查评判注浆效果的系数指标，精准的对采空区注浆效果进行实时检测。但该方法对采空区注浆效果的检测主要针对的是灌浆量、浆液渗漏填充位置高度等参量因素，并未涉及地层注浆加固后物理力学性质的实时检测。
综上所述，现有技术针对注浆强度的预测存在以下问题：
(1)现有的方法针对的都是水泥类注浆材料，由于加固机理不同，其强度预测机理与手段不适用于黄泥等岩土类注浆材料；
(2)现有方法在短时间内仅可预测破碎岩体的短时(7-30天)加固强度，无法预测破碎岩体长时(1-10年)加固强度；
(3)现有方法主要针对注浆加固成型后的胶结体强度，无法开展注浆加固过程(不同注浆体成型阶段、不同时间梯度)的强度演化预测；
(4)现有方法仅可预测注浆加固地层的整体强度，无法对不同空间分布下大采高破碎岩层或采空区的注浆加固强度展开预测。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统，通过不同压实时间破碎岩体注浆加固试验及岩土类浆液注浆体强度预测模型，实现对岩土类注浆材料注浆加固物理力学特性的准确评估预测。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，包括：
对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型。
作为进一步的实现方式，所述纯浆体试件为采用不含破碎岩块的纯浆液压实制作成完全排水固结的成型标准试件。
作为进一步的实现方式，所述注浆体试件由破碎岩样和岩土类浆液按照设定配比制作；
其中，根据注浆压密固结相似准则确定岩块破碎程度；排水压实条件下注浆体试件制作时设置带有排水通道的底座，在注浆压实到设计时间后拆模取出；不排水压实条件下注浆体试件制作时设置密封底座，不进行排水处理，压实到设计时间后拆模取出。
作为进一步的实现方式，排水条件下，不同压实时间注浆体试件强度与含水率满足线性拟合曲线；不排水条件下，不同压实时间注浆体试件的强度和压实时间满足线性拟合曲线。
作为进一步的实现方式，根据注浆模拟试验装置，并利用注浆压密固结相似准则进行破碎岩体注浆加固相似模拟试验；
注浆压密固结相似准则包括：几何相似
Figure BDA0003237164830000041
荷载相似Cp＝Cl，时间相似
Figure BDA0003237164830000042
固结度相似
Figure BDA0003237164830000043
其中，H表示地层厚度，Z表示距排水边界的距离，ξ表示修正系数，U表示固结度。
作为进一步的实现方式，所述注浆体力学特性时空分布预测模型表示为：
σt＝(kt+1)(aWt+b)；
其中，σt表示岩土类浆液胶结再生顶板的预测抗压强度，Wt表示不同时间、不同空间位置注浆模拟地层的体积含水率，a、b表示注浆体含水率与抗压强度的关系常数，k表示压实时间与抗压强度的关系常数，t表示压实时间。
作为进一步的实现方式，所述纯浆体试件和注浆体试件的力学性能测试数据包括单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线图、试件成型效果图及破坏形态图。
第二方面，本发明实施例还提供了一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测系统，包括：
第一力学性能测试装置，用于对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
第二力学性能测试装置，用于对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
第三力学性能测试装置，用于对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
注浆模拟试验装置，用于对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
预测模型建立装置，用于根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型。
作为进一步的实现方式，所述注浆模拟试验装置包括用于填充注浆模拟地层的筒体，筒体顶部设有压头，筒体底部设置底座；所述筒体侧面安装含水率测试仪。
作为进一步的实现方式，所述底座为排水底座或密封底座，所述排水底座开有排水通道。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明根据岩土类浆液注浆体固结成型的主要控制因素，通过不同压实时间破碎岩体注浆加固试验及岩土类浆液注浆体强度预测模型，可实现对黄泥等岩土类注浆材料注浆加固物理力学特性的准确评估预测。
(2)本发明通过推导建立的岩土类浆液注浆体强度预测公式和模拟注浆加固地层不同空间分布含水率的实时监测，实现了不同时间、不同空间分布下破碎岩体注浆加固后物理力学特性的准确预测。
(3)本发明根据岩土类浆液注浆体固结成型的特点，通过基于太沙基一维固结理论推导的注浆压密固结相似准则，对注浆加固过程的时间因素进行相似缩尺，实现了不同成型阶段模拟注浆地层长时间的强度演化预测。
(4)本发明通过测试获取实际工况条件下的纯浆体强度，得到注浆加固再生顶板力学性能上限，可以使预测参数取值更加准确，预测方法更加可靠、适用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的注浆模拟试验装置结构示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的注浆体单轴抗压强度与含水率的拟合曲线图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的注浆体不排水压实天数与单轴抗压强度拟合曲线图；
其中，1-1、压头；1-2、筒体；1-3、注浆模拟地层；1-4、底座；1-5、排水通道；2-1、含水率测试仪；2-2、信息采集装置；2-3、数据处理装置。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，如图1所示，包括：
对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型。
具体的，包括以下步骤：
步骤1：采用与现场一致的应力条件、注浆加固条件与工艺，将不含任何破碎岩块的纯浆液压实制作成完全排水固结的成型纯浆体试件；本实施例的纯浆体试件为圆柱形标准试件，其直径可以设置为50mm、高度为100mm。对纯浆体试件进行力学性能测试，得到注浆加固再生顶板强度上限σp。
步骤2：利用与工程现场类型相同、几何相似(粒径与现场岩样尺寸符合几何相似准则)的破碎岩样和与现场配比相同的岩土类浆液，采用与现场相同的应力条件、注浆加固条件与工艺，制作多组排水条件下不同压实时间注浆体试件，制作多组不排水条件下的不同压实时间注浆体试件，并对其进行岩石力学性能测试。
在本实施例中，注浆体试件同样采用圆柱形标准试件。
进一步的，注浆体的制作过程为：
(1)在考虑注浆体试件整体尺寸的情况下，通过注浆压密固结相似准则，确定岩块破碎程度。将岩块破碎，通过筛网对破碎后的岩块进行粒径筛分称重，使每组试件的碎石粒径和用量保持一致。
(2)在注浆加固试验成型模具底座上依次放上滤纸、透水石，并将筛分称重好的碎石置入到模具中。
(3)采用与现场相同的应力条件注浆加固条件与工艺，通过配制好的岩土类浆液对置入模具中的碎石进行注浆压实。
(4)按照设计的不同压实时间破碎岩体注浆加固试验方案的具体要求，对各组注浆体试件施加不同时间梯度下的压实应力成型，其中排水条件下不同压实时间注浆体试件设置带有排水通道的底座，在注浆压实到设计时间后拆模取出；不排水条件下的不同压实时间注浆体试件选用密封底座，不进行排水处理，将经过排水压实具有一定强度的注浆体试件在不排水条件下继续压实到设计时间后拆模取出。
步骤3：通过排水条件下不同压实时间注浆体试件含水率W和强度σbc的差异变化，采用线性拟合曲线σbc＝aW+b表示含水率对注浆体的强度影响。
其中，σbc表示成型注浆体的抗压强度，W表示成型注浆体的体积含水率，a、b表示注浆体含水率与抗压强度的关系常数。
通过不排水条件下的不同压实时间注浆体试件压实时间t和强度σbc的差异变化，采用线性拟合曲线σbc＝(1+kt)σ0表示压密效应对注浆体的强度影响程度。
其中，σ0表示t＝0时的注浆体试件强度，k表示压实时间与抗压强度的关系常数。
步骤4：通过注浆模拟试验装置，并运用基于太沙基一维固结理论推导的注浆压密固结相似准则，即几何相似
Figure BDA0003237164830000081
荷载相似Cp＝Cl，时间相似
Figure BDA0003237164830000082
固结度相似
Figure BDA0003237164830000083
其中，H表示地层厚度，Z表示距排水边界的距离，ξ表示修正系数，U表示固结度。
获取与现场相似的地层条件、应力条件、注浆加固条件与工艺，开展破碎岩体注浆加固相似模拟试验，高度模拟现场地层条件、应力条件、注浆加固条件与工艺，获得模拟现场条件下不同时间、不同空间位置注浆地层的实时含水率数据Wt。
进一步的，高度模拟地层条件的实现方式为：选用现场的岩石试块，并将其划分为多个粒径区间，采用充填体空隙率误差小于±1％为评价依据，应用随机筛捡方式和上表面充填密实为原则进行充填。
步骤5：将步骤1～步骤4获得的公式、数据整合，推导建立岩土类浆液注浆体力学特性时空分布预测公式σt＝(kt+1)(aWt+b)；其中，σt表示岩土类浆液胶结再生顶板的预测抗压强度，Wt表示不同时间、不同空间位置注浆模拟地层的体积含水率。
将步骤4获得的含水率数据Wt代入上式中，计算不同空间位置、不同时间节点岩土类浆液胶结再生顶板的预测抗压强度σt，并整合形成模拟地层注浆体的时空演化强度范围预测。
在本实施例中，纯浆体和注浆体力学性能测试数据包括单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线图、试件成型效果图及破坏形态图。
应力条件是指依据现场的工作面深度、开采高度、破碎岩体膨胀系数和抗压强度，确定的采空区破碎岩体覆岩应力：
Figure BDA0003237164830000091
其中，σX为距离上覆岩层表面X处的覆岩应力；σC为直接顶岩石抗压强度；c1、c2、c3、c4为塌陷区平均高度的常数系数；h为采矿高度；d为塌陷顶的膨胀系数。
注浆加固条件是指注浆压力、注浆速率和注浆材料；地层条件是指破碎岩石粒径及其空间分布。
实施例二：
本实施例提供了一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测系统，包括：
第一力学性能测试装置，用于对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
第二力学性能测试装置，用于对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
第三力学性能测试装置，用于对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
注浆模拟试验装置，用于对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
预测模型建立装置，用于根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型。
进一步的，如图2所示，所述注浆模拟试验装置包括筒体1-2、压头1-1、底座1-4，筒体1-2内装填注浆模拟地层1-3，筒体1-2顶部设有压头1-1，通过压头1-1对注浆模拟地层1-3施加压力。在本实施例中，压头1-1连接万能电子试验机，压力传感器通过加载板与压头接触以施加轴向压力。
所述压头1-1开设有注浆孔，可连接注浆泵进行泵送注浆。所述筒体1-2为透明材质制成，便于观察。在本实施例中，筒体1-2采用亚克力玻璃材料制作，可实现注浆体渗流固结排水过程可视化。
进一步的，所述筒体1-2底部设置底座1-4，对于排水压实条件下注浆体试件，所述底座1-4设置为排水底座，即具有排水通道1-5的底座；对于不排水压实条件下注浆体试件，所述底座1-4为密封底座。
进一步的，所述筒体1-2侧面安装若干含水率测试仪2-1，含水率测试仪2-1插入注浆模拟地层1-3内以进行含水率监测。所述含水率测试仪2-1通过信息采集装置2-2连接数据处理装置2-3。
实施例三：
本实施例以粒径1.5cm-2.0cm破碎岩石，注浆材料为黄泥、MEA，压实应力14MPa的岩土注浆体为例，说明步骤2中注浆体含水率与抗压强度关系常数a、b的获取方法。
根据不同压实时间破碎岩体注浆加固试验获取的排水压实条件下注浆体含水率与单轴抗压强度数据，绘制两变量对应数据的散点图；通过最小二乘法建立注浆体单轴抗压强度与其含水率的线性回归方程来表征二者的关系特征，其代数公式为：
Figure BDA0003237164830000111
以确定注浆体含水率与抗压强度关系常数a、b。其中，Wi表示注浆体含水率，
Figure BDA0003237164830000112
表示注浆体含水率平均值，
Figure BDA0003237164830000113
表示注浆体的抗压强度平均值。
注浆体含水率与单轴抗压强度数据如下表：
表1注浆体含水率与单轴抗压强度数据
Figure BDA0003237164830000121
将表中两变量数据代入到以上回归系数计算公式即得注浆体试件的线性回归公式σbc＝-3.82W+0.5158和岩土类浆液注浆体单轴抗压强度与含水率的拟合曲线如图3所示，即a＝-3.82、b＝0.5158。
实施例四：
本实施例以粒径1.5cm-2.0cm破碎岩石，注浆材料为黄泥、MEA，压实应力14MPa，含水率为8.4％的岩土注浆体为例，说明步骤2中压实时间与抗压强度关系常数k的获取方法。
根据不同压实时间破碎岩体注浆加固试验获取的不排水压实条件下注浆体压实天数与单轴抗压强度数据，绘制两变量对应数据的散点图；通过均值斜率拟合得到注浆体压实时间与单轴抗压强度的线性回归方程来表征二者的关系特征，以确定压实时间与抗压强度关系常数k。
其注浆体压实天数与单轴抗压强度数据如下表：
表2注浆体压实天数与单轴抗压强度数据
Figure BDA0003237164830000122
将表中的数据代入拟合得到回归公式
Figure BDA0003237164830000123
(其σ0＝0.200MPa)和岩土类浆液注浆体不排水压实天数与单轴抗压强度拟合曲线，如图4所示，拟合求得的压实时间与抗压强度关系常数k的公式为
Figure BDA0003237164830000124
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，其特征在于，包括：
对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型；
注浆模拟试验装置，用于对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
根据注浆模拟试验装置，并利用注浆压密固结相似准则进行破碎岩体注浆加固相似模拟试验；
注浆压密固结相似准则包括：几何相似
Figure FDA0003782848520000011
荷载相似Cp＝Cl，时间相似
Figure FDA0003782848520000012
固结度相似
Figure FDA0003782848520000013
其中，H表示地层厚度，Z表示距排水边界的距离，ξ表示修正系数，U表示固结度；
所述注浆体力学特性时空分布预测模型表示为：σt＝(kt+1)(aWt+b)；
其中，σt表示岩土类浆液胶结再生顶板的预测抗压强度，Wt表示不同时间、不同空间位置注浆模拟地层的体积含水率，a、b表示注浆体含水率与抗压强度的关系常数，k表示压实时间与抗压强度的关系常数，t表示压实时间。
2.根据权利要求1所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，其特征在于，所述纯浆体试件为采用不含破碎岩块的纯浆液压实制作成完全排水固结的成型标准试件。
3.根据权利要求1所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，其特征在于，所述注浆体试件由破碎岩样和岩土类浆液按照设定配比制作；
其中，根据注浆压密固结相似准则确定岩块破碎程度；排水压实条件下注浆体试件制作时设置带有排水通道的底座，在注浆压实到设计时间后拆模取出；不排水压实条件下注浆体试件制作时设置密封底座，不进行排水处理，压实到设计时间后拆模取出。
4.根据权利要求1或3所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，其特征在于，排水条件下，不同压实时间注浆体试件强度与含水率满足线性拟合曲线；不排水条件下，不同压实时间注浆体试件的强度和压实时间满足线性拟合曲线。
5.根据权利要求1所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法，其特征在于，所述纯浆体试件和注浆体试件的力学性能测试数据包括单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线图、试件成型效果图及破坏形态图。
6.一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测系统，其特征在于，包括：
第一力学性能测试装置，用于对纯浆体试件进行力学性能测试，得到再生顶板强度上限；
第二力学性能测试装置，用于对排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到含水率对注浆体的强度影响规律；
第三力学性能测试装置，用于对不排水压实条件下注浆体试件进行力学性能测试，得到压密效应对注浆体的强度影响规律；
注浆模拟试验装置，用于对破碎岩体进行注浆加固相似模拟试验，得到注浆模拟地层含水率数据；
预测模型建立装置，用于根据再生顶板强度上限、含水率对注浆体的强度影响规律、压密效应对注浆体的强度影响规律和注浆模拟地层含水率数据，建立注浆体力学特性时空分布预测模型；
根据注浆模拟试验装置，并利用注浆压密固结相似准则进行破碎岩体注浆加固相似模拟试验；
注浆压密固结相似准则包括：几何相似
Figure FDA0003782848520000031
荷载相似Cp＝Cl，时间相似
Figure FDA0003782848520000032
固结度相似
Figure FDA0003782848520000033
其中，H表示地层厚度，Z表示距排水边界的距离，ξ表示修正系数，U表示固结度；
所述注浆体力学特性时空分布预测模型表示为：σt＝(kt+1)(aWt+b)；
其中，σt表示岩土类浆液胶结再生顶板的预测抗压强度，Wt表示不同时间、不同空间位置注浆模拟地层的体积含水率，a、b表示注浆体含水率与抗压强度的关系常数，k表示压实时间与抗压强度的关系常数，t表示压实时间。
7.根据权利要求6所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测系统，其特征在于，所述注浆模拟试验装置包括用于填充注浆模拟地层的筒体，筒体顶部设有压头，筒体底部设置底座；所述筒体侧面安装含水率测试仪。
8.根据权利要求7所述的一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测系统，其特征在于，所述底座为排水底座或密封底座，所述排水底座开有排水通道。
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