富水裂隙围岩隧道涌水量计算方法与规律分析

富水裂隙区隧道涌水量预测精度较差,涌水问题尚未得到较好的解决。针对此问题,视裂隙围岩及注浆区为非均质各向异性介质,初期支护及二次支护结构为均质各向同性介质,构建了裂隙围岩下隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论及流体质量守恒定律推导了富水裂隙区隧道涌水量计算公式。通过退化分析及案例工程现场实测数据验证了构建富水裂隙区隧道涌水简化计算模型的合理性及涌水量计算式求解的正确性,最后基于解析解揭示了各特征参数对富水裂隙区隧道涌水的影响规律,探讨了富水裂隙区隧道涌水机制。结果表明:理论计算值与现场实测值最大相对误差为8.1%,验证了构建模型的合理性及公式推导的正确性;隧道涌水量随裂隙最大宽度的增加而增大,受堵水结构的联合制约,两者近似呈线性关系;注浆区厚度与隧道半径比值在2倍以内时,隧道涌水量受注浆区厚度的影响显著;富水裂隙区隧道涌水受裂隙分布规律及支护结构的制约,应重视对裂隙分布的调查。

基于CT扫描受压注浆体试块三维孔裂隙结构参数表征

目的为研究注浆体试块单轴压缩过程中孔裂隙结构演化特征,方法以级配砂砾注浆体试块为研究对象,对其单轴压缩过程分阶段进行工业CT扫描,并采用AVIZO对CT切片进行分析,重构孔裂隙结构三维模型,定量表征孔裂隙与孔喉特征参数。结果结果表明:单轴压缩下,试块依次经历孔裂隙萌生、发育、扩展与贯通阶段,孔裂隙演化特征比较明显,萌生阶段孔隙数增幅为14.41%,无明显贯通;发育阶段孔隙数增加326.91%,伴有一定数目孔隙贯通;扩展阶段孔隙数减少了57.79%,孔隙等效直径最大值增幅为223.45%,大部分孔隙贯通为裂隙;贯通阶段孔裂隙数目几乎不变,孔隙等效直径最大值增幅为92.83%,裂隙贯通后形成多个破裂面。峰值后试块出现连通孔隙,该阶段注浆体孔隙与喉道发育完全,试块破坏。结论研究结果可为后续破碎岩石注浆工程实践提供参考。

高承压非均质岩溶裂隙含水层精准注浆加固技术研究

煤层底板高承压非均质岩溶裂隙含水层突水是煤矿安全生产的重大灾害之一,消除其突水威胁对矿井安全生产具有重要意义。以梁北矿32021工作面为例,在综合分析工作面地质与水文地质条件的基础上,利用多种物探方法查明了煤层下50、70、90 m深度上的富水裂隙集中分布区域,为煤系底板受构造破坏的导水或富水裂隙的注浆加固施工提供靶向区域,结合牛顿流体和宾汉姆流体在裂隙内渗流相关理论和类比分析,得出了在8 MPa注浆压力条件下密度为1.1 kg/m^(3)的水泥浆的扩散半径约为30 m,在此基础上对工作面布置了注浆加固钻孔。结合注浆前后物探结果、钻孔单孔涌水量分析、注浆量合格率和注浆改造前后突水系数等评价划定工作面水害危安区,用于指导矿井安全生产。

倾斜裂隙动水注浆扩散规律及堵水关键域研究

在煤矿开采过程中,受复杂水文地质条件的影响,工程建设经常会遭遇突涌水、塌方等地质灾害,严重制约了地下工程的安全建设和发展。注浆技术作为地下突涌水灾害治理的有效手段,在煤矿水害防治领域得到了广泛应用。为研究动水条件下倾斜裂隙注浆扩散规律及封堵机理,通过自主研发的动水注浆试验系统,进行了倾斜裂隙动水注浆试验;采用有限元法求解Navier-Stokes方程和浆水相界面控制方程,获得了注浆过程中不同时刻的浆液扩散形态和扩散面积,分析了倾斜裂隙空间内的流速场和压力场分布规律,并与试验结果进行了对比验证;基于模型试验与数值模拟结果,揭示了堵水关键域浆液运移规律,建立了倾斜裂隙动水注浆堵水关键域扩散模型。结果表明:当注浆压力恒定不变时,随着裂隙倾角和动水流量的增大,浆液沿顺水方向扩散距离均随之迅速增大至出流边界,沿逆水方向和垂直于动水流向的扩散距离明显减小,导致浆液扩散面积不断减小,使得浆液扩散形态由圆形变为椭圆形,最终到达出流边界时呈U形;在注浆扩散过程中,随着裂隙倾角的增加,浆液不断驱替过水断面逐步形成了高流速过水通道,使得裂隙横断面流速分布呈现出岭陡谷宽的形状;同时,在倾斜裂隙不同高差位置压力曲线随时间同步变化,沿顺、逆水方向(测线1)压力分布从动水入口至出流边界呈递减趋势,且裂隙倾角越大,压力场衰减越快,沿垂直于水流方向(测线3)压力分布具有对称性,表现为在注浆孔处压力值最大,且注浆孔周围压力衰减速度最快,随着与注浆孔距离的增加,压力衰减速度逐渐减小并趋于平缓。根据浆液在裂隙中的分区-分层扩散方式,确定了堵水关键域位置与范围大小,且堵水关键域面积的试验测试结果与理论计算值之间的误差均小于8.5%,表明本文所建立扩散模型能够描述堵水关键域浆液的扩散过程。根据注浆孔与堵水关键域的相对位置,合理布置注浆孔可有效提高注浆堵水效果,据此对传统注浆工艺提出改善建议。

不同渗透率灰岩裸孔注浆浆液扩散特性

定向钻孔注浆是防治煤层底板水害的重要技术。基于邱集煤矿水文地质特征,利用COMSOL Multiphysics中达西两相流模块建立灰岩岩溶裂隙含水层的钻探裸孔注浆模型,开展顺层分支裸孔注浆浆液扩散的模拟研究,分析不同渗透率灰岩注浆裸孔浆液扩散特性。结果表明:随着时间的推移,浆液扩散呈孔口位置扩散距离远、裸孔末端扩散距离近的特征;渗透率增加3.5×10^(-12)m^(2)时,浆液扩散面积增加300~500 m^(2),注浆孔口的浆液扩散形态差异明显;渗透率为8.5×10^(-12)m^(2)时,浆液在孔口横向扩散距离为45 m;渗透率为1.5×10^(-12)m^(2)时,浆液在孔口横向扩散距离仅为20 m,浆液扩散形态沿裸孔呈细长状。结合工程实践分析表明,在渗透率为1.2×10-12,5.4×10^(-12)m^(2)和8.9×10^(-12)m^(2)附近的徐灰岩溶裂隙区域,获得的浆液实际扩散距离稍小于浆液模拟扩散距离,主要是因为实际岩溶裂隙开度、粗糙度不一等原因所致,验证了模拟研究结果的准确性。研究结果为黄河北煤田类似水害问题的治理和定向钻孔高质量精准注浆技术提供了科学参考。

乌东德水电站特高拱坝全坝无盖重固结灌浆技术研究与应用

针对乌东德水电站特高拱坝固结灌浆存在的问题,分析了坝基开挖松弛特征,通过室内材料试验和现场工艺试验,研发了裸岩裂隙封闭材料与工艺,解决了无盖重固结灌浆压力低、效果差的难题,提出了“表封闭、浅加密、深升压、少引管”全坝无盖重固结灌浆方法,不仅保证了坝基固结灌浆质量,而且不用占压混凝土仓面,解决了有盖重固结灌浆与混凝土浇筑施工相互干扰的难题,在乌东德水电站特高拱坝坝基固结灌浆中成功应用,可供同类工程参考借鉴。

黄陇煤田厚层砂岩水害精准注浆防治水技术研究

近年来,随着我国西部侏罗纪煤炭资源的大规模开发利用,煤层顶板水害影响与威胁日益显现。为阻截煤层上覆含水层中水下泄,以实现井下目标区域内堵水、减水,提出了一种秉持“保水采煤”理念,以精细探查为基础,以精准注浆为主要工程手段的厚层砂岩水害顶板防治水技术方法,并在黄陇煤田高家堡煤矿进行了应用。首先,优选出了自然伽马曲线(GR)为能够区分研究区砂、泥岩的敏感曲线,利用波形指示反演精细解释了煤层上覆岩层的岩性展布形态。在岩性解释的基础上结合抽水试验结果,分析了研究区上覆地层不同含水层的响应特征,综合岩性、泥质含量(VSH)、自然电位(SP)以及孔隙度(POR)刻画了煤层上覆地层的富水性分布特征,解释成果表明对煤层开采隐患最大的为洛河组中段(K_(1)lm)上层,该区域岩层主要为中粗粒砂岩,为中等−强富水含水层。然后,利用多属性融合技术对煤层上覆岩层中原生裂隙进行了精细刻画,在纵向上的展布规律具有断续分布特点,且发育具有分段性特征,相对集中分布在洛河组中下段,在平面上,裂隙主要发育方向为NW-NWW,以井27-2为界限,上部裂隙较发育。最后,综合考虑煤层上覆岩层岩性、富水性和原生裂隙分布特征以及导水裂隙带发育高度预测结果,选择对洛河组中段底部通过水平孔进行注浆,加固薄弱地层,阻滞洛河组中、上段水量下泄。经过地面预注浆治理后,204工作面推采过程中涌水量减少超过1000 m^(3)/h。同时,改善了生产条件,比相邻工作面多回收35万t煤炭资源,为治理黄陇煤田厚层砂岩水害提供了一种可行的办法。

基于泥砂介质的浆液裂隙渗流与孔隙渗透机理

为研究低渗透岩土介质的浆液裂隙渗流和孔隙渗透力学机理,以泥砂为研究对象,基于高压密封注浆试验系统设计注浆实验,根据格里菲斯强度理论推导了渗流通道形成准则,运用流体力学推导分析了面形渗流通道中浆液渗流压力变化和浆液渗透扩散半径公式。研究结果表明:浆液扩散包括渗流通道形成和渗流通道周围孔隙渗透两个过程。孔隙渗透是“初始渗入-开始絮凝-絮凝层局部破坏”等循环往复的过程。单相面形渗透扩散半径与浆液渗透率、注浆时间、注浆压力成正比,与被注介质孔隙率和浆液黏度成反比。研究结论为中煤平朔井工一矿综采工作面过陷落柱工程提供理论依据。

河谷碳酸盐岩型铅锌矿深部矿坑涌水主控因素研究

西南金属矿区含水层空间结构复杂,多属水文地质条件复杂的河谷岩溶裂隙充水矿床,深部开采极易诱发岩溶涌突水问题,查明矿坑涌水主控因素是解决水患问题的关键。本文以位于云南某河谷的碳酸盐岩铅锌矿为例,基于水文地质勘察、钻孔水位监测、放水试验、涌水量动态观测,查明矿区岩溶发育强度及地下水流场特征,分析矿坑深部充水水源及通道,讨论帷幕注浆工程对矿坑涌水的影响。结果表明:矿坑涌水主控因素为北东—南西构造裂隙,以大气降雨入渗补给为主,地表河流因地下水位下降呈悬挂式河流,缓慢渗流补给地下水且不存在灌入式通道;受近南北向、北东向、北西向3组构造影响,空间上构成“Y”型充水通道,西北、北东、南北向导水能力强,以二叠系栖霞茅口组灰岩地下水侧向补给为主且水源充足;南侧导水性较差,上泥盆统宰格组地下水缓慢径流补给且水量小;帷幕注浆工程大幅减少矿坑涌水量,封堵效果显著。

基于围岩破坏特征的穿层钻孔“三堵两注”封孔效果研究

针对单一低透气性煤层底抽巷穿层预抽钻孔存在抽采浓度衰减快、有效抽采时间短的问题,采用理论分析及数理统计相结合的手段,考察了底抽巷围岩变形特征与穿层钻孔抽采衰减规律并分析了其相关性,认为巷道成型、钻孔施工等一系列过程中存在后期发育的围岩裂隙,提出了基于巷道围岩变形的“三堵两注”封孔工艺,探讨合理的二次注浆时机。结果表明:首次注浆后抽采浓度随围岩变形逐渐衰减,与常规“两堵一注”封孔工艺抽采效果类似;二次注浆进一步封堵钻孔围岩后期发育的裂隙,抽采浓度较注浆前显著提高。以中马村矿3901地区为例,确定穿层钻孔合理二次注浆封孔时机应为巷道围岩变形稳定,即钻孔施工后约2个月,为类似矿井安全高效开采提供借鉴。

特高压架空输电线路混凝土基础裂缝注浆加固措施研究

铁塔混凝土基础是架空输电线路重要组成部分,混凝土基础出现裂缝,基础强度及耐久性都会降低,基础达不到设计强度及设计使用年限,输电线路将长期处于带病状态运行,可能出现安全事故。通过对混凝土基础裂缝采用注浆包封加固,能有效提高基础混凝土整体强度及耐久性,保证架空输电线路的安全运行。

冻融条件下单裂隙注浆岩石破坏特性试验研究

在冻融循环下,寒区岩体内的节理、裂隙和孔隙等缺陷会影响岩体结构稳定性,甚至使岩体工程发生冻融灾害.研究冻融循环下注浆固结体力学特性和破坏特征对完善岩体注浆加固理论、保障寒区工程安全实施具有重要的指导意义和应用价值.为研究冻融循环下注浆固结体试样的破坏特性,对预制单裂隙类岩石试样进行注浆加固得到注浆固结体试样,开展不同循环次数的冻融试验,对固结体试样进行单轴压缩和数字VIC-3D技术同步观测.结果表明,试样的破坏形式主要分为单斜面剪切破坏和拉伸破坏;在相同冻融循环次数下,随裂隙角度的增加,试样峰值强度增大,增幅在50%以上.在相同裂隙角度下,随循环次数的增加,试样峰值强度降低,降幅在35%以上;试样的应力-应变曲线大致分为4个阶段,即孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂纹发展阶段、破裂后阶段.

轨道交通枢纽深基坑开挖对紧邻运营地铁保护工程实践

深圳前海综合交通枢纽建设过程中,由于紧邻该工程西面是一直在运营的深圳地铁前海湾地铁站,涉及深圳地铁11号、5号、1号线三线换乘,同时枢纽基坑工程与深圳地铁11号线前海湾地铁站共用支护桩,深圳地铁11号线前海湾站基础为桩基础,深圳地铁5号和1号线前海湾站均为筏板基础。经过研究枢纽基坑和原深圳地铁11号、5号、1号线前海湾站结构型式与地质条件,设计单位考虑地铁保护措施,总包单位基于枢纽深基坑开挖对地铁保护实施措施,深基坑开挖工艺与基坑降排水,深基坑土方开挖预判地铁风险分析和防范,总包单位针对地铁保护结合原设计提出的建议和措施,以及基坑施工全周期地铁和基坑监测数据。实践证明,深基坑土方开挖施工到正负零结构封顶全过程,深圳前海综合交通枢纽深基坑和运营的深圳地铁11号、5号、1号线车站及轨行区均安全可靠。

地铁暗挖隧道穿越地裂缝施工技术研究

本文探讨了西安地铁暗挖隧道穿越地裂缝的施工技术。通过地质勘探对地裂缝进行充分的调查和评估,在设计方案、施工工艺等方面的深入研究,提出了一系列完善的施工方案和技术措施,成功地完成了西安地铁暗挖隧道穿越地裂缝的工程。本文旨在为类似工程的实施提供参考和借鉴。

巷道围岩裂隙演化规律及渗流灾害控制

地下水渗流导致巷道掘进工作面突水或成巷段支护失效的灾害在煤矿时有发生。基于泥岩全应力–应变加载过程的渗透特性试验研究,分析掘巷影响区不同时空条件下巷道岩体裂隙的渐次发育过程,揭示巷道围岩渗透特性的动态演化规律以及轴向、径向和环向3个方向的渗流特征。该规律对注浆孔深、间排距、注浆时机等控制渗流灾害的注浆参数设计具有明确的指导作用。进一步分析防止渗流泥化灾害的最佳注浆时机和合理注浆孔布置等渗流灾害控制关键参数,提出控制泥质巷道围岩防止渗流灾害的注浆稳定技术。该技术可用于指导渗水威胁条件下的巷道围岩施工,实现减缓或消除渗流灾变。在一穿断层导通砂岩含水层的煤矿开拓巷道工程中应用该技术,有效地控制了渗流灾害。

岩溶路基注浆效果透水率检测标准试验研究

研究目的:透水率检测标准制约着岩溶路基注浆效果的有效评价。通过模型试验和理论分析,研究影响透水率检测标准应用的两个关键性基础问题:一是是否存在一个不产生潜蚀塌陷的界限裂隙;二是如果存在这个界限裂隙,那么界限裂隙的透水率特征值是多少。研究结论:临界裂隙开度是覆盖型潜蚀塌陷的关键控制因素,受覆盖层土质、密实度、临界水力梯度等因素的影响,覆盖型岩溶路基塌陷的临界裂隙开度约为2～4 mm;对溶蚀裂隙发育的可溶岩地基,当裂隙宽度小于等于3 mm(或地基透水率小于等于47 Lu)时,在自然水降条件下,不具备岩溶潜蚀塌陷条件,因此,建议以47 Lu作为潜蚀塌陷临界透水率值,以此为岩溶地面塌陷防治注浆效果检测定量标准。

平面裂隙参数计算及其对浆液流动的影响分析

利用从层流到紊流的多阶段稳定压水试验的压力-流量曲线反算裂隙张开度、粗糙度及地下水影响半径等裂隙参数。建立了平面裂隙中浆液流动的力学模型，并分析了对浆液流动的影响因素。

回采巷道片帮机制及控制技术研究

根据大采高工作面回采巷道帮部围岩的特点,采用断裂损伤理论、弹塑性理论建立了巷帮围岩层裂板结构力学模型,分析了霍州煤电辛置煤矿回采巷道帮部围岩失稳机制,并将注浆锚索支护方式首次应用于巷道帮部围岩的片帮治理。研究表明:回采巷道帮部围岩内部存在大量的裂纹,在高应力的作用下裂纹扩展发育,巷帮围岩演化为层裂板结构,当作用在巷帮围岩上的多重支承压力大于最小临界失稳载荷时即发生片帮;随煤岩体弹性模量、层裂板厚度的增大,层裂板发生失稳时破坏范围扩大;采用注浆锚索支护巷帮时浆液能够填满巷帮围岩深部裂隙,使巷帮围岩成为一个整体,提高了巷帮围岩支护结构的承载能力,控制了巷帮围岩片帮的发生。

动水注浆沉积压力特征与注浆效果试验研究

注浆是解决矿井水害的一种有效方法。为了更好地研究动水注浆过程中浆液沉积压力特征与堵水效果,基于自主设计的流体力学综合试验平台,开展了煤岩体裂隙动水注浆试验研究,分析了不同水灰比和注浆压力条件下浆液在煤岩体裂隙中的沉积压力特征,提出一种裂隙动水注浆效果的评价方法。研究结果表明:浆液的沉积压力曲线可分为3类,当曲线呈平塬型分布时,注浆堵水效果最佳;呈山尖型分布时,堵水效果次之;呈台阶型分布时,堵水效果较差。

隧道裂隙突涌水过程中注浆技术研究进展及展望

我国隧道建设数量逐年增加,隧道掘进过程中常会遇到突涌水等地质灾害,注浆是解决隧道裂隙突涌水的常用技术措施,对地下工程堵漏以及加固都具有重要意义。在回顾隧道工程注浆技术发展历程的基础上,系统总结了目前关于模型试验、注浆材料、超前预报技术、注浆控制系统以及注浆效果评价方法等研究现状,并且对其优缺点进行了梳理,展望了各方面的发展趋势,最后在对以往工程经验分析的基础上结合当下智能注浆领域总结了一套隧道智能注浆控制系统,以期为我国注浆领域的研究以及隧道工程建设提供参考。