某矿采用扩散注浆法加固松散破碎带岩体的实践

某矿在施工过程中,遇复杂地质构造的断层,断层中形成宽4~12m的破碎带,破碎带岩体为辉绿岩、黑云片麻岩与混合花岗岩相互侵入型岩体,该破碎带岩性松散、富含裂隙水。某矿以安全通过此断层、破碎带为目的,采用了扩散注浆治水加固的处理方法,对巷道涌水进行了封堵,保障了基建工程的有序开展,确保了施工安全。

不规则采空区下特厚煤层综放面注浆扩散规律及加固技术

为了解决不规则采空区下特厚煤层综放强采动过程中矿压与围岩控制难题,以山西宁武榆树坡煤矿5106综放面为工程背景,通过现场监测的手段研究了不规则采空区下特厚煤层综放面矿压显现特征,并在此基础上采用数值模拟的方法分析了不同裂隙特征参数的浆液羽状扩散规律,揭示了三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理,形成了三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固技术,制定了围岩注浆加固技术实施方案,并进行了工程应用。研究结果表明:回采期间工作面支架阻力整体呈现出“两端小、中间大”的趋势,不同推进距离工作面方向支架工作阻力分布特征存在明显差异;注浆扩散形状受裂隙分布的影响,随裂隙数量的增加,注浆扩散形状从初始的圆形转变为裂隙引导的不规则羽状;实施脉冲注浆加固技术后,实测发现脉冲注浆扩散速率提升了约25%,综放面煤体裂隙被充分充填,围岩加固效果显著,实施效果良好。

中砂介质注浆扩散效果试验研究

为研究注浆材料在中砂介质中的扩散效果,设计了一套中砂介质注浆系统,选用普通硅酸盐42.5R水泥(OPC)、水泥-水玻璃双浆液(C-S)、粉煤灰水泥(FPC)以及早强剂水泥浆液(ESAPC),进行了注浆扩散试验。测量得出浆液最大扩散半径和注浆量,并系统讨论不同水灰比、水玻璃波美度、注浆压力半径以及粉煤灰含量对浆液扩散的影响规律。研究结果表明:中砂介质中,水灰比越大,OPC浆液的扩散效果越显著;OPC浆液的扩散性能不如同等水灰比的FPC浆液,中砂介质中浆脉扩散半径随粉煤灰占比的提高而增大;相同工况下OPC浆液与ESAPC浆液扩散半径几近相等;水泥-水玻璃双浆液的扩散效果远不如OPC浆液;水灰比可以显著影响浆液的扩散距离和注浆量;注浆压力对浆液的扩散半径及注浆量的影响不大。

黄土高速铁路路基注浆扩散范围模型试验研究

为研究黄土高速铁路路基注浆加固中浆液扩散规律,以大西高速铁路沿线典型湿陷性黄土路基为研究对象,开展注浆模型试验及Edem-Fluent耦合数值仿真,得到黄土注浆扩散范围及注浆盲区参数。试验结果表明:随着注浆压力的增大,浆液的扩散范围逐渐扩大,加固体长度与注浆压力近似幂指数关系。Edem-Fluent耦合仿真分析得到的注浆扩散范围与试验相符合。力链分析表明注浆压力越大,土体间的微观作用力作用越分散,在浆液劈裂方向上,注浆压力是呈消散分布。在此基础上推导了黄土注浆浆液扩散范围及注浆扩散盲区计算公式。

透明砂土基本特性及其在注浆模型试验中的应用

透明土技术为可视化监测土体内部变形、渗流提供了有效手段,充分认识透明土透明度的影响因素是该技术发展的基础,亦是实现注浆模型试验浆液扩散可视化的前提。采用熔融石英颗粒和混合矿物油配制透明砂土,通过调整混合矿物油配比、熔融石英颗粒粒径、环境温度获得透明砂土。配制与标准砂级配相近的透明砂土,测试了透明土与标准砂的基本物理力学性能,并开展了大尺寸透明砂土注浆模型试验。结果表明:混合矿物油配比、熔融石英颗粒粒径对透明砂土透明度影响显著;混合矿物油折射率对温度较敏感,折射率随温度的升高而降低;与标准砂级配相近的透明土透明度较高,物理力学特性与标准砂相近,该透明砂土实现了注浆模型试验浆液扩散过程的可视化。研究成果对促进透明土技术发展及其在注浆模型试验中的应用具有借鉴意义。

深埋巷道耦合注浆浆液扩散范围及加固特性研究

围岩破碎的深部巷道存在围岩强度不足、底鼓严重等问题,亟需有效的支护手段进行巷道围岩加固。借助COMSOL数值模拟软件,构建巷道耦合注浆加固的注浆扩散模型,以压力等值面作为注浆扩散指标,得到了不同注浆加固方式下的注浆扩散范围,并将所得注浆扩散范围模型导入3DEC进行注浆加固特性研究;以王家岭煤矿12101工作面运输巷围岩加固为工程背景,研究了运输巷原支护方式和深浅孔-高低压耦合注浆加固的不同加固效果。结果表明:该注浆扩散范围划分方式合理,能较好地满足工程实际;与原支护方式相比,采用耦合注浆的支护方式对巷道进行加固后巷道安全性得到较大程度的提升。

水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟

普通硅酸盐水泥浆液作为岩土工程注浆中最为常用的浆材,其静水与动水条件下的注浆扩散运移规律是目前研究的重点。通过模型试验和数值模拟系统研究水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩散规律;基于流体动力学理论,分析和验证水泥浆液在地下水影响下的扩散形态及压力场分布特征;通过对比模型试验和数值模拟数据,分析水泥浆液在静水和动水条件下的运移和扩散机制。研究结果表明:动水条件下浆液扩散开度和逆水扩散距离存在极限;浆液压力场分布为自注浆孔沿扩散方向迅速衰减,注浆孔附近压力衰减速率最快,逆水方向压力衰减速率明显大于顺水方向。并据此对传统注浆工艺提出改善建议。

砾石土层中注浆扩散参数的研究

采用注浆模拟试验与数值分析等研究方法,探讨了砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体抗压强度等参数预测计算模型,并设计试验对其进行了验证。试验结果表明,砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及结石体的抗压强度等参数预测计算模型计算的注浆量、浆液扩散半径与注浆结石体抗压强度的理论值与试验实测值间虽分别有10%、5%、10%左右的差异,但均相差不大,因此,可用来预测砾石土层实际注浆工程中的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体的抗压强度等参数。研究成果不仅可为砾石土层实际注浆工程实践提供理论支撑,还可为砾石土诱发的滑坡、泥石流等灾害的防灾减灾提供技术参考。

土石分层介质注浆扩散的试验研究

为了探索土石分层介质中的注浆扩散规律,设计一套分层介质注浆试验装置,开展土石分层介质注浆试验研究.通过分析浆脉分布特征、注浆压力变化特征和界面加固体渗透特征,分析浆液在土石分层介质中的扩散模式及其加固效果.讨论现有注浆理论对求解分层介质注浆扩散问题的适用性,提出针对土石分层介质灾害治理工程的注浆控制方法.研究结果表明:分层界面两侧介质不同的被注时序响应浆液不同的穿层路径,分层介质的层间突变性导致浆液发生渗透-界面式、劈裂-渗透式和渗透-界面-劈裂式这3种不同的扩散模式,分别对应界面浆脉黏结、贯穿浆脉连接和并行浆脉架构3种加固特征;提出注浆材料动态调节、同孔多序梯度注浆和分层界面控域注浆3种土石分层介质注浆控制方法.

软土地基注浆扩散过程数值模拟研究

廊沧高速公路K132+177～K132+258软土地基主要由低液限中、高压缩性黏土层组成,属于滨海沉积类型,采用静力注浆方法进行了加固处理,并在现场分别对全孔一次性和自上而下分段式注浆施工方式进行了试验及室内研究。基于该路段软土地基地基物理力学性质和注浆试验地表变形观测资料,利用FLAC3D软件对该软土地基在不同注浆方式(全孔一次性注浆、自上而下分段式注浆)和在0.5、1.0、2.0 MPa注浆压力作用下浆液在土层中的扩散过程进行了分析。其结果表明,在相同注浆压力作用下,自上而下分段式注浆效果比全孔一次性注浆效果好,而注浆压力的增大对浆液在土层中的扩散是有利的,但压力过大会导致地面冒浆,应根据现场实际情况选择合理的注浆压力。

注浆扩散与浆液若干基本性能研究

浆液流型、流变参数的时变性、可灌性、塑性强度和可重复注浆性是影响浆液扩散的基本性能。试验表明,各种浆液分别属于三种不同流型;水泥基浆液在注浆过程中流型不变;浆液粘度的时变性规律符合指数函数。研制了平板裂隙注浆装置进行试验,结果表明,普通水泥浆的最小可灌裂隙宽度并非 0.18 mm 或 0.2 mm。在重复注浆时,后注浆液克服先注浆液的粘聚力,在流道中间冲开新通道继续注入,而不是推动先注浆液向前整体移动。“塑性强度”概念可以推广到一般浆液,用这一指标可以预知浆液的可注期。基于以上试验研究成果,尤其是粘度时变性规律,建立了稳定性浆液注浆扩散模型。

基于宾汉姆流体的海底隧道穿越裂隙岩体注浆扩散半径计算

为了对海底隧道穿越裂隙岩体进行预注浆设计与注浆效果预测,拟采用理论公式对裂隙岩体注浆扩散半径进行计算,具体分别采用Wittke和Wallner公式、Lombadi公式和黄春华公式进行计算,最后通过对计算结果进行分析可以得出:(1)设计注浆压力为3～4MPa、注浆孔半径为5cm和注浆时间为1800～3600s时,浆液的扩散半径能满足设计要求;(2)浆液扩散半径在注浆开始时一般增长较快,当浆液扩散半径达到一定值后,随着注浆时间的增长,扩散半径会趋于稳定;此外,浆液扩散半径几乎与注浆压力的增长呈线性关系;(3)采用黄春华公式计算结果与Wittke和Wallner公式和Lombadi公式的基本相同,但浆液扩散半径随注浆时间和注浆压力增长变化的幅度不同,相对来说更接近于实际;(4)理论公式计算时对裂隙岩体只考虑了裂隙的宽度,而没有考虑其厚度与方向的变化特征,所以,这些公式的计算结果往往偏大。

基于牛顿流体的海底隧道穿越裂隙岩体注浆扩散半径计算

在分析胶州湾海底隧道注浆方案及浆液特性的基础上,采用牛顿流体类的刘嘉才公式进行裂隙岩体注浆扩散半径计算。计算结果表明:当设计注浆压力为3～4MPa、注浆孔半径为5cm和注浆时间为1800～3600s时,浆液的扩散半径能满足设计要求;浆液的扩散半径随着注浆时间的增加而增大,在注浆时间相同时,浆液的扩散半径随着裂隙宽度的减小而减小;浆液的扩散半径随着注浆压力的增加而增大,但在注浆压力相同时,浆液的扩散半径随着裂隙宽度的减小而减小。

砂层压密特性及其对劈裂-压密注浆扩散过程的影响

劈裂-压密注浆模式是砂层注浆工程中的重要模式,砂层自身的压密特性对劈裂-压密注浆扩散过程具有显著影响,基于此,以山东青岛地区含黏性土砂层为典型砂层介质,通过侧限压缩试验测试了不同条件下的砂层压缩变形曲线,测试压力范围0~2 MPa,砂层黏性土含量10%~50%,砂层初始含水量12%~28%,分析了黏性土含量及初始含水率对砂层压密过程的影响,从是否形成砂骨架的角度揭示了砂层压密变形机理。采用二次抛物线模型来拟合砂层侧限压缩过程应力-应变数据,建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型,模型参数可通过初始压缩模量及2 MPa下的特征应变量确定。在此基础上,认为劈裂-压密注浆过程中劈裂通道两侧砂层的压密过程近似符合侧限条件,分析了黏性土含量对砂层劈裂-压密注浆扩散过程的影响。研究结果表明:黏性土含量是影响砂层压密特性的主控因素,当黏性土含量低于25%左右时,砂层压缩过程中会形成砂骨架,砂层整体可压缩性较差,反之,不会形成砂骨架,砂层整体可压缩性较好;存在最优初始含水率(20%左右),当砂层初始含水率由最优初始含水率增加或者减少时,相同压力条件下砂层压缩量均会减小;砂层压密过程数学模型曲线与试验数据较为一致,所创建的数学模型可较好地描述砂层压密过程;相同注浆时间条件下,黏性土含量与注浆扩散过程中的劈裂通道开度正相关,而与浆液扩散半径及注浆压力负相关;在相同注浆终压条件下,黏性土含量与浆液扩散半径正相关。在砂层劈裂-压密注浆设计中应充分考虑砂层压密特性对注浆扩散过程的影响。

非均质断层破碎带注浆扩散机理

断层破碎带是诱发塌方、突泥等地质灾害的重要构造因素,但针对断层治理的注浆理论与技术研究进展缓慢。依托永莲隧道F2断层突水突泥灾害注浆治理工程,分析断层破碎带介质特点并划分介质类型,进而建立注浆概念模型;分别建立3种介质注浆控制方程研究3种类型介质条件下注浆扩散规律;通过注浆试验模拟非均质断层破碎带注浆扩散过程,基于浆脉分布情况与注浆压力、介质应力变化规律,分析了注浆扩散过程规律。结果表明:由于成分与密实度的差异,断层破碎带介质可分为松散型、软弱型与密实型3种介质,3种介质中浆液分别以渗透、压密、劈裂等扩散形式为主。易压缩且结构面数量较多的介质更利于浆液的扩散;密实型介质中劈裂扩散范围与介质结构面数量呈正相关,与压缩模量、注浆速率呈负相关。非均质断层破碎带注浆扩散过程可分为优势充填与劈裂扩散两个阶段,注浆压力变化曲线由缓慢上升至陡降的突跳点,即两阶段分隔点;优势充填阶段主要发生在松散型与软弱型介质中,注浆压力上升慢,浆液集中扩散;劈裂扩散阶段注浆压力上升较快,主要发生在密实型介质中。针对松散型与软弱型介质形成的不良地质区,提出定域注浆控制技术,并在永莲隧道突水突泥灾害治理工程中应用,取得了良好的注浆治理效果。

考虑浆液黏度时变性的动水注浆模拟

在注浆工程中会不可避免地遇到复杂的水文地质环境,地下水的冲刷作用会导致浆液流失。为深入探讨动水中浆液的扩散情况,基于开源软件OpenFOAM建立动水中的注浆模型,研究浆液在动水中的扩散规律,分析不同黏度时变性、不同水流速度和注浆速率对浆液扩散规律的影响。研究结果表明:在动水影响下,浆液的扩散具有明显的非对称性;在垂直水流方向的扩散距离始终大于逆水方向;水流速度的增大和注浆速率的减小会导致浆液的扩散距离减小;水泥硅酸钠浆液与高聚物改性浆液在动水中扩散情况相似,在低水流速度中高聚物改性浆液加固效果较好。

基于CW环氧浆液流变性的注浆扩散理论研究

为建立更符合实际的化学注浆扩散模型,针对CW环氧浆液的流变性能进行了多组黏度时变性试验研究,结果表明温度不变时各种配比浆液的黏度和时间存在一定的指数函数关系。结合球形、柱形注浆扩散理论,对环氧浆液的注浆量和注浆扩散半径公式进行了时变性优化。通过分析优化公式,显示环氧浆液在渗透过程中呈减速运动;当各种环境系数保持不变时,注浆最大注浆量和最大扩散半径取决于黏度与时间函数关系中参数的乘积。对比了各组环氧浆液的函数参数乘积,得到黏度增长较慢的浆液具有更好的注浆扩散能力。

基于步进式算法的裂隙注浆扩散机制研究

注浆是治理地下工程围岩裂隙涌(突)水的有效手段,裂隙注浆扩散封堵过程的理论研究是岩体涌(突)水注浆方案科学设计与工程顺利实施的保障。深入分析了注浆材料流变特性、扩散路径及注浆方式等工程与地质因素对裂隙注浆扩散过程的控制作用,基于注入时间的离散将注浆区划分为若干无限小的扩散单元,提出了可计算任意时刻浆液锋面位置、注浆压力、扩散区浆液黏度与压力分布以及注浆速率等关键数据的改进步进式算法,完整刻画了不同注浆工艺下岩体裂隙注浆扩散过程。通过步进式算法分析了恒压注浆、恒速注浆等恒参量裂隙注浆过程(即注浆压力或注浆速率保持恒定);经与已有成果对比,计算结果与文献数据一致性较好,验证了该方法的可靠性和适用性。结合工程实践,运用步进式算法开展了"阶段式递降速率"和"阶段式递增压力"等典型动参量裂隙注浆扩散机制的研究,分析了不同注浆方案下注浆压力、注浆速率及浆液扩散距离等指标的变化特征,在一定程度上揭示了动参量裂隙注浆扩散规律,深化了人们对岩体裂隙注浆扩散理论的理解,为注浆设计和工程实践提供了有意义的指导。

矸石固体充填散体材料注浆扩散试验研究

为得到整体性好、抗压强度高的胶结充填体,对级配矸石散体材料进行注浆扩散研究。基于幂律流体流变方程和渗流运动方程建立了柱形扩散理论公式,并应用COMSOL Multiphysics模拟软件对浆液扩散进行了数值模拟,得到浆液扩散半径与材料孔隙率、水灰比和注浆压力成正相关。通过设计正交试验对级配矸石散体材料进行注浆扩散试验研究。试验结果表明,当压实力为0.8 MPa,矸石粒径级配方案为A1,水灰比为0.5:1时,胶结体3 d强度能达到3.23 MPa,21 d能达到6.28 MPa,21 d胶结体平均弹性模量为19425.4 MPa,胶结体抗压强度在养护前期增长明显,充填体整体性和力学性能得到很大改善。通过数值模拟及注浆扩散试验验证了注浆扩散规律,研究结果可为优化矸石散体材料注浆参数设计提供参考。

井筒冻结孔环形通道注浆扩散机制及注浆封堵设计方法

为研究井筒冻结孔环形通道注浆扩散过程,构建了双侧向柱形边界约束下的注浆扩散理论模型,考虑到浆液流变性推导了注浆扩散控制方程;运用Matlab平台开展仿真研究,获得注浆速率、浆液流变性影响下的注浆扩散规律,据此提出冻结孔环形通道注浆设计方法,指导注浆终压、浆液扩散距离等关键指标的选取。以营盘壕煤矿主井冻结孔注浆治理工程为依托开展现场试验,基于矿井地质与水文地质条件确定主井注浆区段为+731.5~+813.5 m,注浆终压为6.75 MPa,注浆孔间距为12~14 m。注浆工程完成后经随机施工的18个检查孔检验,钻孔涌水量均小于0.01 m 3/h,表明注浆效果良好。研究成果对西部矿区类似矿井的安全建设具有一定的参考价值。