鉆桿壓力損失試驗(yàn)

章愛衛(wèi)，史建松，楊 閃，楊圣安，王 虎，賈偉杰

（華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021）

我國西南部某井下鉛鋅礦礦山實(shí)施的帷幕線水文地質(zhì)勘察工程，其主要工作內(nèi)容為壓水試驗(yàn)，為后續(xù)帷幕注漿工程提供設(shè)計依據(jù)。壓水試驗(yàn)的技術(shù)依據(jù)主要參考了《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》[1]，壓力損失公式即來自于本規(guī)范，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，卻發(fā)現(xiàn)了兩個問題：①BK02鉆孔第六次壓水時，235 L/min流量下僅40 m的φ50鉆桿壓力損失計算值達(dá)到了1.6 MPa，而壓水試驗(yàn)提供的總壓力僅為1.01 MPa；②BK05第五次壓水時，流量145 L/min，減掉壓力損失后，計算的試驗(yàn)壓力為0.41 MPa，當(dāng)流量增加至203 L/min時，減掉壓力損失后，計算的試驗(yàn)壓力為0.27 MPa，即流量增加，試驗(yàn)壓力計算值反而越小。當(dāng)壓水注入量較小時未出現(xiàn)以上兩個問題，認(rèn)為規(guī)范公式法計算出的壓力損失是一種理想狀態(tài)下的損失量，故并不適用本場地管路實(shí)際情況下大流量時的壓力損失量計算，也即透水性強(qiáng)的地層會因?yàn)橛嬎愠龅膲毫p失量過大而導(dǎo)致透水率計算值偏大甚至出現(xiàn)錯誤。

在此背景下，本文利用現(xiàn)場的實(shí)際壓水管路，進(jìn)行大流量條件下的壓力損失試驗(yàn)。

1 主要試驗(yàn)設(shè)備

φ60管路（內(nèi)徑 46.25 mm）、注漿泵（XPB-90E），抗震壓力表（量程0.6 MPa，精度1.6級）。

2 試驗(yàn)方法

由規(guī)范公式：

推導(dǎo)得出：

式中：ps壓力損失，MPa；λ摩阻系數(shù)，2×10-4MPa/m～4×10-4MPa/m；lp管路長度，m；d 管路內(nèi)徑，m；v管內(nèi)流速，m/s；Q 管內(nèi)流量，m3/s；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

由式（2）可知，在固定管路長度和內(nèi)徑的情況下，管路內(nèi)水流的壓力損失量只與管路內(nèi)的流量大小有關(guān)系。為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度及方便成果利用，采取如下措施：

1）管路總長156 m，避免了因管路太短，造成損失量太小，降低人為讀取數(shù)據(jù)誤差。

2）管路總計39根，38個接頭，僅在整條管路兩端安裝了壓力表，其目的是將不同流量條件下的接頭壓力損失量概化至單位長度管路的壓力損失量，方便后期工程計算。

3）試驗(yàn)場地位于巷道內(nèi)，落差較大，兩塊壓力表中心點(diǎn)的高程差通過工程測量，獲得其值為2.03 m。

4）管路末端安裝了閥門，模擬地層的透水性強(qiáng)弱，已獲得不同流量條件下的壓力損失量。

5）采用了XPB-90E注漿泵，其最大可提供流量為250 L/min，最大壓力為20 MPa，保證了在低壓試驗(yàn)時壓力的穩(wěn)定性。

6）采用了量程0.6 MPa，精度為1.6級的抗震充甘油壓力表，保證了表針的穩(wěn)定性。

7）為減小水流在進(jìn)水口和出水口紊流對壓力表的影響，壓力表距端口距離為1 m。

試驗(yàn)示意圖見圖1，調(diào)解閥門至流量和壓力表均穩(wěn)定后，讀取兩塊壓力表的讀數(shù)，二者的差值即為在該流量條件下，固定長度的φ60管路所損失的總壓力，然后換算至單位長度管路的壓力損失量。

圖1 壓力損失試驗(yàn)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由式2可知，在管長和管徑固定的情況下，壓力損失量和流量呈現(xiàn)二次方關(guān)系，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及壓力損失量與流量關(guān)系曲線，見表1和圖2。

表1 不同流量條件下的實(shí)際壓力損失量

圖2 壓力損失試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均勻分布于試驗(yàn)曲線兩側(cè)，準(zhǔn)確度高，當(dāng)流量大于30 L/min時，對比規(guī)范壓力損失曲線，實(shí)際的壓力損失量基本為規(guī)范公式的一半，當(dāng)流量小于30 L/min時，實(shí)際的壓力損失量從數(shù)值絕對數(shù)上基本等于規(guī)范公式法，所獲得的實(shí)際壓力損失公式為：

式中：Ps為壓力損失量，MPa/100 m；Q 為流量，L/min。

3.2 討論

1）實(shí)際壓力損失公式與規(guī)范法差異的可能原因?yàn)椋阂?guī)范中要求壓水試驗(yàn)段段長5 m為宜且一般的水利水電工程會優(yōu)先選取透水性差的地層，透水量本就比較小，而本礦區(qū)的水文勘察孔孔深800 m，壓水段長為30 m～50 m，且位于強(qiáng)透水性灰?guī)r地層中，注水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水力水電工程中的壓水試驗(yàn)，因此該規(guī)范中提供的壓力損失計算公式并不適用于大流量、大段長的壓水試驗(yàn)。

2）實(shí)際獲得的壓力損失試驗(yàn)公式是一條y軸截距為0.31 m的二次曲線，理論上，當(dāng)流量為0 L/min時，壓力損失量為0 m，因此在實(shí)際應(yīng)用中去除了公式尾端的0.3126，將公式修正為：

4 結(jié)論

礦山的水文地質(zhì)勘察孔往往設(shè)計較深，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，壓水段一般設(shè)定為30 m～50 m，可以滿足水文地質(zhì)勘察精度要求，這與《水利水電工程鉆孔壓水試壓規(guī)程》的5 m一段的壓水段差距較大，會導(dǎo)致注水量過大，規(guī)范中提供的壓力損失試驗(yàn)不滿足要求，因此需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行壓力損失試驗(yàn)。通過本次試驗(yàn)獲取了流量與壓力損失的關(guān)系式，很好地指導(dǎo)了后期工程呂榮值的計算，可為未來其他類似工程提供借鑒。

試驗(yàn)過程做了一些簡化，如忽略掉管壁粗糙程度，并將變徑處的壓力損失量概化進(jìn)單位長度的壓力損失量。但從實(shí)用角度來講，本實(shí)驗(yàn)過程完全滿足水文地質(zhì)勘察對壓水試驗(yàn)的精度要求。