煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验

近年来,为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源,华北煤田普遍采用地面定向钻技术,对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”),以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中,与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题,一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大,特别是深部资源开采,将有数十亿元的注浆工程,有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此,以皖北矿区恒源煤矿为研究基地,依托Ⅱ63采区底板区域治理工程,设计并实施浆液扩散范围示踪试验,在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂),在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥,以获得浆液扩散范围,进而在浆液扩散影响因素分析基础上,构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。结果表明:①综合岩屑现场及室内鉴别结果分析,获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3~44.0 m,且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内,该区域内注浆效果最佳。②通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别,取得的浆液扩散范围基本一致,证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③通过对比分析,认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下,浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果,与现场示踪试验实测结果较为接近。④利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据,考虑重力、构造、地下水径流等因素影响,借助SPSS非线性拟合软件,得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件,利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8~42.9 m,与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近,计算公式可在类似条件下推广应用。本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验,不仅取得了浆液扩散范围的真实数据,而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系,揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理,构建了浆液扩散范围计算公式,为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。

深部巷道围岩裂隙注浆加固浆液扩散规律研究

目的为了解决深部巷道围岩裂隙注浆加固难题,方法采用现场矿压观测、数值模拟等方法,结果研究得到深部巷道围岩破坏特征:深部巷道呈现“顶、帮、底”全断面大变形现象,围岩破坏深度显著增加;深部巷道围岩由浅至深形成裂隙发育区、裂隙扩展区和原生裂隙区,其中裂隙扩展区裂隙较小,注入难度较大。采用数值模拟方法,分析裂隙特征、注浆压力、浆液水灰比等因素对浆液扩散特征的影响规律,结果表明:裂隙开度对浆液扩散半径影响显著,而裂隙粗糙度的影响较小;对于裂隙开度较大的裂隙发育区,采用常规注浆压力;对于裂隙扩展区,裂隙开度较小(小于0.10 mm),应采用高于10 MPa的注浆压力;浆液扩散半径与注浆压力、水灰比呈正比,但对于深部微围岩裂隙而言,注浆压力存在临界点,不应盲目增大注浆压力,选取水灰比时,应综合考虑浆液扩散半径和浆液析水效应。结论对于注浆工程而言,选取浆液配比及注浆压力时,应考虑巷道开挖后围岩裂隙开度的发育状态。

顶管施工过程中浆液扩散对减阻效果影响

浆液扩散是影响顶管注浆减阻的关键因素,为此建立顶管三维数值分析模型,引入扩散环模拟顶管施工过程中浆液的扩散过程,根据管周土体与管片接触情况修改管土摩擦因数,研究顶管施工过程中浆液扩散过程对减阻效果的影响.将计算得到的顶进摩阻力与实测数据进行对比,验证方法的可靠性,进一步研究了顶管施工过程中滤过效应对土体位移的影响及注浆扩散相关参数对顶管施工过程中土体位移及顶进摩阻力的影响.结果表明:考虑滤过效应时的地表沉降更小;滤过效应引起的渗透系数衰减越强则地表沉降及顶进摩阻力越小;浆液扩散的越快,泥浆套越完整,则顶管顶进期间的注浆减阻效果越好.

松软巷道注浆加固机理与浆液扩散规律研究

为分析松软破碎岩体注浆过程中的加固机理以及浆液扩散规律,以唐安煤矿3310掘进面为研究对象,从渗透加固作用、密实固结作用、充填胶结作用、骨架支撑作用四个方面阐述了注浆加固机理,根据实际工程地质条件,利用3DEC软件建立数值模型,分析了不同注浆压力、不同裂隙开度下浆液扩散半径变化情况。数值模拟结果表明:浆液扩散半径随注浆压力增大而增大,但增加速率逐渐减小;扩散半径随着裂隙开度增大,呈先增大后减小趋势。

煤层底板区域注浆浆液扩散数值模拟及影响因素分析

地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法,注浆浆液扩散机理受到普遍关注,且分支孔间距设计多依赖现场经验,具有一定的盲目性,制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况,利用COMSOL Multiphysics软件,开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析,探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下:(1)煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育,通过模拟发现,8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用,期间渗透系数增大4~5个数量级。(2)不考虑重力影响时,以分支孔为中心,浆液向周边扩散距离相等,且在分支孔附近,浆液浓度较大,体积分数达20%以上;考虑重力作用时,水平向浆液扩散范围相对增大,垂向上浆液主要向下扩散,表现为“上短下长”。(3)浆液扩散模拟得出,扩散范围为41.2 m;浆液扩散范围现场实测显示,扩散范围为38.3~44.0 m,浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4)浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关,与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小,其扩散范围响应越明显;随动力黏度增加,扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考,具有较好的参考应用价值。

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。

引水隧洞复杂裂隙围岩高压灌浆浆液扩散过程研究

随着我国抽水蓄能电站的大量兴建,超高水头引水隧洞逐渐增多,高压固结灌浆是保证隧洞围岩稳定的一种有效技术措施,其中灌浆参数的取值对于工程设计至关重要。本文利用COMSOL多物理场耦合软件平台,采用蒙特卡洛方法,结合MATLAB进行二次开发生成三维随机裂隙,基于浆液流变理论、流体连续性方程和对流扩散运动方程,以阳江抽水蓄能电站引水隧洞围岩高压灌浆为例,研究了不同水灰比、灌浆压力、灌浆时间对于三维网络裂隙岩体的浆液扩散过程的影响。模拟分析结果表明:水灰比对浆液扩散影响较大,浆液扩散距离和水灰比成正比;灌浆起始阶段水泥颗粒运移距离与灌浆历时呈正相关,但灌浆范围内的裂隙达到饱和后颗粒运移距离不再随时间延长而增加;在灌浆过程中需要逐步提高压力,以保证浆液充分渗透到裂隙内部,当灌浆压力超过一定数值,水泥颗粒运移量受灌浆压力影响较小。本研究可为同类型灌浆数值模拟开发和灌浆工程设计提供参考。

动水条件下浆液扩散沉积与封堵效果试验研究

基于矿井水文地质条件和注浆工艺建立裂缝涌水与注浆模型,开展排水条件与不排水条件下裂隙注浆效果试验,分析排水条件、浆液固结体、析水率、裂隙空间和钻孔倾角等因素对注浆效果的影响。试验结果表明,排水条件下,注浆压力越大,浆液扩散距离越大,可排水条件是注浆顺利的重要保证。浆液沉积固结体与浆岩耦合界面成为裂隙中堵水的关键区域,浆液析水率、裂隙空间和钻孔角度是影响浆液固结体的三因素。该研究有益于开采前裂隙含水层注浆工艺的优化和相关理论研究。

地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机制和封堵方法研究

涌突水是地下工程的主要地质灾害之一。实践表明,注浆是治理涌突水的有效技术手段,但相关的动水注浆理论发展尚不成熟,尤其是裂隙动水条件下的浆液扩散和封堵机制研究不足。针对上述问题,研发准三维裂隙动水注浆模型试验台,进行裂隙岩体涌突水的动水注浆模型试验研究,通过对200余组试验数据进行分析,提出浆液的U形扩散规律和水泥浆液的分层分区扩散机制,得到浆液的快速析水沉积原理和沉积留核扩散规律,实现浆液扩散和封堵效果的定量评价。在此基础上,形成以浆水流量比为核心控制因素的裂隙涌水注浆封堵方法。室内涌水注浆封堵试验和龙固煤矿高压涌水现场注浆封堵试验进一步验证研究成果的正确性,这对发展动水注浆理论和指导工程实践有一定作用。

渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布数值模拟

基于非稳定渗流公式,推导了渗透注浆的浆液渗流基本微分方程,随后将其由直角坐标系下的解析形式转换成极坐标系下的解析形式,并将其数值化离散,且给出合理的初始条件、边界条件与边界条件处理方法,得到了计算浆液渗流的有限元模型。最后对实际注浆工程进行计算。结果表明,计算结果与工程实际符合良好。柱状注浆和非溶性浆液注浆在开始阶段均十分容易灌注,而后随浆液扩散半径的增加,灌注的难度越来越大,且非溶性浆液注浆较柱状注浆的难度大得多。

裂隙含水层水平孔注浆“三时段”浆液扩散机理研究及应用

邯邢矿区是典型的华北型煤田大水矿区,其深部的大采深高承压水矿井采用地面区域超前治理奥灰水害系列技术,其中多分支近水平定向钻探及注浆是实现区域超前治理水害的关键技术。此前对注浆浆液扩散机理研究很多,但都是以垂向注浆孔及水平裂隙建立水动力学与岩石力学研究模型。地面区域治理奥灰水害是水平注浆孔高压注浆,为此开展了奥灰裂隙岩体高承压水的水平注浆孔浆液扩散机理研究,提出了注浆"三时段"的划分,并给出水动力学表达式;分析了垂向裂隙面上浆液圆环扩散形态;建立了垂向裂隙中浆水分区水动力学模型,推导出浆液扩散半径与注浆压力间关系;在有可注性差的上边界条件下,对浆液扩散形变问题给出数值模拟方法;为水平孔注浆初设及注浆参数优化提供了理论和技术指导,在邯邢矿区应用效果明显。

围岩性质对于注浆压力变化规律及浆液扩散模式的影响研究

采用注浆模拟试验及理论分析研究了围岩性质对于注浆压力变化规律及浆液扩散模式的影响。试验采用在注浆模型架内分区充填不同孔隙比土体的方法模拟被注围岩显著的向异性及非均质性;采用多个注浆管依次注浆的方法模拟实际注浆工程中的不同注浆施工阶段。通过开挖揭露浆脉(浆泡)特征研究围岩性质对于浆液扩散形式的影响;通过分析注浆过程中注浆压力数据研究围岩性质对于注浆压力的影响;通过对注浆前后围岩试样进行室内试验测试,获取注浆对于围岩孔隙比及压缩系数的影响规律。研究结果证实:注浆压力变化规律及浆液扩散模式与围岩性质密切相关,通过分析注浆压力变化规律与浆液扩散模式可判定围岩性质,从而为注浆施工过程中的注浆参数动态调整提供依据。相关研究结论在永莲隧道帷幕注浆工程中进行了现场试验,进一步验证了其正确性。

软岩硐室围岩注浆加固作用与浆液扩散规律

基于柴里矿水泵房锚注试验结果，分析了软岩硐室围岩中浆液的扩散规律，并采用ＦＬＡＣ３．３深入分析了注浆加固的机理，获得了一些对锚注加固设计具有指导意义的结论．

高温富水环境下裂隙岩体注浆试验装置研制及浆液扩散规律

为研究隧道工程高温裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,以大瑞铁路高黎贡山隧道破碎围岩为研究对象,研制了一套高温富水环境下破碎岩体注浆的试验装置。以粒径2~5 mm的堆积岩块模拟破碎地层,通过对试验装置施加反向作用力实现模拟地层压缩变形,使各组试验的地层孔隙率误差控制在0.5%以内。运用均匀设计法构建开展了多组裂隙注浆试验,分析了地层温度、单位时间流量、水灰比等因素对浆液扩散规律的敏感性,系统讨论了地层温度作用下,随单位时间注浆流量变化浆液结石体形状的变化规律。研究结果表明:研制的试验装置可满足高温富水环境下裂隙岩体的注浆试验,模拟破碎地层压缩变形量和孔隙率的试验值与理论值的误差均小于0.1%,能够实现高温水的循环与恒温作用时间控制,验证了模型的合理性。发现地层温度、水灰比和注浆流量对扩散范围的影响并非线性关系,而是多元幂函数关系,构建了对应的浆液扩散范围求解式,并对影响浆液扩散范围的参数进行单因素和多因素分析。本试验条件影响浆液扩散范围的主要因素是单位时间流量,地层温度最小,水灰比居中,且水灰比和地层温度对浆液扩散范围的影响差距不大。浆液的扩散形式以充填压密为主,随单位时间流量从小到大变化,结石体形状从饼状逐渐过渡到锥形体,再到类似圆球车阻石的形状,随流量的增大球体直径的增幅大于饼状结构直径,最后,近似呈完整球形结构。

坡度对沉管隧道压浆法基础处理浆液扩散特性的影响

针对砂石垫层的不平整或沉管隧道本身走向设计引起的坡度变化,采用压浆法进行小比例模型试验,研究在不同坡度条件下单孔注浆、双孔同步注浆时的浆液扩散情况.结果表明,带纵坡注浆时,沿纵坡下坡方向的扩散速度明显大于沿上坡方向的扩散速度,即水下混合砂浆的流动受到重力加速度的影响显著,出现向低处先行扩散流动的趋势,而且当坡度较大时,沿上、下坡方向扩散速度的差异更加明显.在施工过程中,应首先在最低位置注浆孔注浆,然后,沿坡度向上依次注浆,以避免出现基础处理填充不密实的情况.

隧道围岩劈裂注浆破坏模式及浆液扩散规律研究

在隧道施工中经常需要对软弱围岩注浆以堵水加固,为使浆液能从注浆孔到达岩体结构面并堵塞裂隙,劈裂注浆是主要手段,因此有必要研究劈裂注浆时岩石的破坏和浆液扩散规律。首先假设浆液为牛顿流体,推导了浆液劈裂岩石产生单条裂缝时,浆液最大扩散长度随注浆压力变化的计算公式;然后对岩石劈裂注浆的过程和浆液扩散进行了数值模拟。结果表明,岩石劈裂破坏主要有张拉和压拉两种破坏模式;浆液扩散距离对注浆压力的增长率随围压比和垂直压力的增大以及岩石强度的减小而变小;启裂压力随围压比、垂直压力以及岩石强度的增大而增加。其中,浆液扩散距离随注浆压力的变化可以用指数函数较好地拟合,拟合结果与理论分析一致。

基于均匀设计的砂砾石层浆液扩散规律研究

在砂砾石层灌浆中,渗流对浆液在不同方向上扩散的影响一直是研究的空白。现通过室内灌浆模拟试验,采用均匀设计的方法构建试验方案,对不同渗流强度砂砾石层中浆液在不同方向上的扩散规律进行了研究,分析了灌浆压力P、水灰比m、渗透系数k以及渗流速度v对浆液在不同方向上扩散半径R0的影响,并得出回归关系式。试验结果表明:对浆液扩散半径R0影响最显著的是灌浆压力P,渗透系数k的影响次之;渗透速度v与上游向扩散半径Ru负相关,与下游向扩散半径Rd显著正相关,而对侧向扩散半径Rl的影响很小。

裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究

研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究,结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。

采空区高位钻孔注浆防灭火浆液扩散特性研究

为研究综放采空区高位钻孔注浆不同注浆时间和注浆量对浆液空间扩散行为的影响,采用FLUENT数值计算方法,在"变重力、定倾角"注浆情况下,构建三维非均质采空区浆液扩散数学模型,以某矿29406工作面为研究对象,通过模拟分析确定单孔最佳注浆量为40 m^3/h时取得的防灭火效果最好,此时浆液倾向流动最远距离为50.8 m。研究表明:浆液在采空区垂直扩散过程中,其扩散半径逐渐增加且存在峰值;在底板扩散过程中,浆液浓度峰值点不会随时间产生明显改变;随注浆量的增加,浆液沿倾向流动的最大距离均呈非线性上升趋势;采空区标志性气体监测数据显示,模拟分析结果与现场应用效果一致。

基于流固耦合的单一裂隙浆液扩散规律研究

为研究浆液在裂隙中的扩散规律,基于幂律流体的本构方程,推导出了幂律流体的浆液扩散方程。考虑围岩应力场和浆液流体场的双向耦合,运用数值模拟软件,建立考虑流固耦合作用的单一裂隙注浆模型,分析了注浆压力、浆液密度、裂隙开度等因素对浆液扩散和裂隙变形的影响。研究结果表明,注浆因素对浆液扩散半径的影响程度由高到低依次为:裂隙开度、注浆压力、浆液密度;注浆因素对裂隙最大变形量的影响程度由高到低依次为:注浆压力、裂隙开度、浆液密度。