煤岩体突水通道骨料灌注运移堆积机制试验

为揭示突水通道中骨料运移堆积的演化规律,开展了动水条件下骨料灌注试验,得到了骨料的初始沉积位置、堆积体形成方向以及堆积体极限堆积高度与水流速、骨料灌注速度等影响因素的内在关联。结果表明:在1.0 m/s高流速动水环境中,骨料堆积体形成方向为先逆水流方向生长至投料孔底后转为顺水流方向生长;在0.3 m/s低流速条件下,采用口径36 mm漏斗投料同口径18 mm相比,骨料灌注总量相同时,其堆积体的极限高度提升了41%。基于数值力学模型——计算流体动力学-离散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM),研究了骨料灌注期间突水通道内流场的时空分布特征以及骨料堆积体的过水阻力作用对突水通道内静水压力的影响机制。

井下动水截流施工骨料堆积生长机制研究

灌注骨料形成阻水屏障实现截流降速是井下治水工程的关键所在。为定量描述骨料堆积生长的时空演化机理,提出了将骨料沉降堆积过程切分为具有一定厚度的片状颗粒层堆叠过程的分析计算方法,以及动水环境中骨料灌注后从沉降到堆积全过程关键参量(颗粒水平移距xd,动水休止角ψ,未接顶区流速U,骨料留存临界流速U_(cr))的理论计算公式,在此基础上构建了骨料堆积体生长预测模型。通过CFD-DEM双向耦合算法研究了骨料灌注期间流场分布演化特征和骨料堆积形态差异,并验证了预测模型合理性。研究表明:空间上,依据初始流速U_(s)是否超过骨料起动流速U_(c)或骨料留存临界流速U_(cr),可将截流初期骨料沉积主域的所在位置划分为3个区域,若沉积主域位于③区,则将其视为无效灌注;时间上,骨料堆积体生长过程可归结为3个阶段:高度快速增长阶段、高度长度同步生长阶段、仅水平向伸长阶段;初始流速决定了第1阶段的有无,而灌注条件(骨料粒径、灌注速度)主导着第1阶段所持续的时间;基于泥沙运动力学中推移质输沙率、起动流速等概念,得出了堵孔现象发生及骨料能否留存的临界判据;数值模拟试验结果表明,预测模型能够较好地刻画骨料灌注后的堆积生长规律,骨料堆积稳定后,理论计算值与模拟试验值相对误差小于10%。

动水条件下大流量突水巷道骨料灌注技术

煤矿发生突水灾害后,利用独头过水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆施工建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。而在动水条件下通过灌注骨料在突水巷道内建立一定长度的"阻水段"是实现成功有效注浆的前提。本文介绍了动水条件下大流量突水巷道骨料灌注的主要工艺和方法。

突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究

通过骨料灌注法进行动水巷道截流堵水是矿井淹没后进行救援和复矿的重要方法。为研究骨料灌注截流堵水机理,基于水头高度、流速、巷道尺寸、倾角、糙度、骨料粒径、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流试验平台,并依托平台进行单孔、多孔灌注试验,分析动水巷道骨料运移堆积规律。结果表明:骨料正常灌注期间堆积体具有向下游运移生长的特性,迎水面和背水面由涡流控制的坡脚形态存在差异化现象;低流速条件下骨料会快速接顶且孔间存在空腔,高流速条件下孔间堆积体逐渐接龙、灌注量在下游相互叠加;残余过水通道沿截面呈U形分布,存在扰流接顶效应、空气掏蚀效应、堵孔效应、溃坝冲刷效应等典型动力学现象;结合解析法和数值法,对骨料颗粒的起动速度及典型现象进行计算和模拟,验证了试验平台的可靠性;通过浆液灌注实验验证浆液配比和骨料粒径对注浆效果存在重要影响,浆液在骨料堆积体中存在"上多下少"的空间分带性。试验平台的研制对截流堵水工程技术优化具有指导意义。

骨料灌注法封堵过水巷道的接顶溃坝机制研究

煤矿突水截流堵巷过程中骨料灌注的"接顶-溃坝"机制一直缺乏直观有效的研究手段,通过建立CFD-EDEM两相流耦合计算模型,分别在静水和动水条件下进行了单孔连续灌注试验,从堆积形态上验证了细骨料更适用于搬运和铺底过程。通过多孔灌注试验模拟了骨料的接顶过程,结果表明:流量小时钻孔之间会残留大量未充填区域,大流量条件下骨料会发生水平生长直至孔间接龙,接顶区逆势向上游生长最后全段接顶。引入颗粒拱概念分析了骨料随机接顶的力学机制,提出了骨架的剪切失稳模型,通过管涌概念解释了堆积体的渗透失稳机制以及溃坝过程中骨料的运移形式。结合工程数据验证了静水截流和动水截流在工程投入和施工难度上的差异性,指出动水截流需要经历多次溃坝、反复灌注才能最终成功截流。

高承压含水层突水灾害双层孔治理关键技术

针对采煤工作面底板奥灰含水层难以形成高水压堵水塞的技术难题,以古城煤矿3315工作面奥灰突水灾害治理工程为例,提出了地面双层定向水平孔治理方法,利用上层孔对高承压动水进行减速减压,下层孔对动水通道进行快速截流。同时根据工程实践,研究了高承压突水双层治理孔布孔原则、骨料灌注方法、注浆方式和注浆结束标准,形成了双层孔突水灾害治理关键技术。结果表明,双层定向孔对快速探查突水通道、构建堵水塞效果明显,堵水率达100%。

过水巷道中骨料起动力学机制及两相流耦合模拟

为研究动水巷道中骨料堆积状态与巷道倾角的内在关系,建立动水环境不同倾角巷道中骨料颗粒的起动判据,基于计算流体力学和离散元法建立描述骨料灌注过程的固液两相流耦合模型(CFD-DEM),对5-10 mm、10-30 mm、30-50 mm骨料颗粒组在不同堆积厚度下的起动速度和水流携砂能力进行测试,并模拟各粒径颗粒组在不同倾角巷道中的静水休止角和动水运移规律。结果表明:起动速度在上山巷道、水平巷道、下山巷道依次减小,3种工况下骨料起动速度的平方之比值为:(tanΩcosθ+sinθ):tanΩ:(tanΩcosθ-sinθ);堆积体形态由流场与灌注能力的动态平衡状态所决定,当流场的携砂能力远小于灌注能力时接顶容易,反之接顶困难;巷道倾角对堆积体相对于水平线的休止角没有影响,在相同流速条件下骨料在下山巷道中堆积形态被"拉长"不易接顶,上山巷道中被"压缩"相对容易接顶;上山段截流可降低施工难度,截流位置确定后应根据巷道倾角实时调整灌注参数,下山巷道骨料粒径适当增加,上山相应减小,使堆积长度和高度同步"生长"实现快速截流。研究成果对截流工程选址和骨料灌注参数设定具有重要指导意义。

关闭小煤矿突水灾害隐蔽通道快速探查与治理技术

针对关闭小煤矿开采区域发生的突水灾害,采用物探、微震、钻探、奥灰水位网分析等方法查找到突水通道,并利用帷幕和灌注骨料相结合手段、多层交叉加固技术彻底封堵了突水通道和突水水源,矿井总体涌水量相比以往同期减少了62%,大幅减少了矿井排水费用,也保护了奥灰水资源,为矿井安全生产提供了保障。

保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制数值模拟

为了更加细微和形象地刻画保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流局部和整体发展过程,按照等流速原理构建了巷道进水口在给定水头边界条件下CFD-DEM流固耦合数学模型,在2000 m^(3)/h和20000 m^(3)/h突水水量等流速条件下,分别对有无保浆袋囊工况22 mm粒径骨料灌注堆积阻水体建造过程进行了数值模拟。结果表明:(1)低流速条件骨料都能堆积接顶,高流速条件骨料都只能堆积至巷高的3/4,主要差异是有袋囊工况阻水体堆积至相同高度所需时长都更短且都具有高阻弱渗阻水性能。(2)高流速条件阻水体不能局部接顶情况下,单纯增大骨料粒径仍然难以局部接顶,但是单纯增加骨料灌注速度可以局部快速接顶。(3)分析有无袋囊工况阻水体建造结果差异原因,得到保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制其一是袋囊自身快速充填了部分阻水体空间,相当于提前完成了部分骨料铺底和充填阶段;其二是阻水体高阻弱渗的阻水性能,可以减少堵水后期阻水段快速升压阻水体突破再造次数,同时有利于补充注浆阶段浆液快速凝结。

煤层底板区域治理后断层突水原因及探讨

以桃园煤矿底板区域改造后Ⅱ1028工作面F28断层突水为背景,阐述了突水过程;根据水位、水质和水温分析了突水水源和通道,通过理论公式计算了断层带的底板破坏深度和承压水导升带高度,阐明了突水的原因;利用地面定向孔灌注骨料和水泥封堵了突水通道,探讨了区域治理钻孔布置、注浆方式和材料配比。结果表明:区域治理虽有效封堵了奥灰导水通道,避免了灾害性突水,但粉煤灰-水泥浆在断层带不凝固、钻孔穿陷落柱且在末端对断层的注浆有效压力低,治理效果差,采动断层活化导致突水;对于将受采掘扰动的断层、破碎带等应注入高强度的水泥单液浆提高强度;注浆沿程压力损失量随孔深先大后小,损失速率随孔深递减,注浆钻孔不宜太长;中途分流“短路”压力会整体降低,孔内无压段长度随分流量增大,注浆钻孔经异常构造、巷道底板应进行试压,避免注浆“短路”现象。

桃园煤矿F_(28)断层突水原因及堵水技术

以桃园煤矿工作面底板超前区域治理后F28断层突水为背景,阐述了突水过程,分析了水文地质条件、长观孔水位、突水水质和水温,基于经验和理论公式计算了“下三带”厚度,综合分析了断层突水原因,利用地面定向孔罐注骨料和水泥,封堵了突水通道,井上下联合验证了堵水效果。结果表明:区域治理将三灰含水层改造为隔水层,切断了太灰与奥灰的水力联系,F28断层突水与奥灰无联系;突水原因是特殊地质条件下,注入的粉煤灰-水泥浆不凝固,断层带裂隙充填不充分,再开采扰动下断层活化导致突水;利用地面定向孔注骨料和水泥技术,以及改进的骨料连续灌注工艺,完成了断层导水通道封堵,经水位动态和井下钻孔验证,堵水率达到100%。

矿井特大突水巷道截流封堵技术

煤矿发生陷落柱突水灾害后,利用独头过水巷道的有利条件,在高水压动水条件下,通过灌注骨料和综合注浆施工建造阻水墙实现巷道截流,堵水率100%,成功封堵了特大突水。

基于CFD-DEM耦合模型的阻水墙建造过程数值模拟

通过灌注骨料封堵动水巷道的过程长期以来处于经验摸索状态,基于数值力学模型(CFD-DEM)研究了骨料灌注过程及截流堵水机制。模拟了骨料颗粒在水中的沉降速度、不同堆积厚度下的启动速度、天然状态和静水中的堆积角、动水中粒径分区效应以及各粒径组的阻水消压能力,验证了模型的适用性。测试了水流的携砂能力,发现未接顶区和堆积区的流场分界线对应启动流速上限,当流场的携砂能力远小于灌注能力时,表现为接顶容易,反之接顶困难。建立了考虑突水通道、突水源水压、灌注速度、骨料粒径、灌注次序、骨料摩擦参数和水流黏性等关键因素的计算模型,模拟了骨料在动水环境下铺底、充填、接顶的主要阶段,得出了速度场和压力场在不同灌注阶段的演化过程及两者间的动态响应关系。通过双巷截流模型,对两种截流方案进行了模拟,证明了优先封堵其中一条巷道的方案更具合理性。最后总结了钻孔间堆积体"前期接龙"、"后期叠加"及"逆向生长"的一般截流过程,分析了水力梯度和携砂能力对堆积长度和钻孔数量的影响。动水中骨料灌注两相流耦合模型的建立为截流施工过程研究及工程优化提供了技术途径。

突水淹没矿井动水巷道截流阻水墙建造技术研究

在突水巷道中通过灌注骨料实现截流堵水的过程涉及多个力学演化阶段,实践中为了快速复矿需更重视堵水效果,阻水墙建造的关键技术问题研究很少受到关注。结合以往工程案例的堵水过程数据,分析了从骨料灌注到注浆截流的水力学模型,提出了阻水墙建造的关键技术参数设定方法,研究了阻水墙内部应力分布状态及破坏机理。研究表明:(1)阻水墙建造可分为4个阶段的水力学模型,即突水稳定阶段的管道流模型、骨料灌注阶段的管道流-低速渗流模型、骨料接顶阶段的高速渗流-低速渗流模型、注浆截流阶段的低速渗流模型;(2)动水中骨料堆积形态是水平和垂向两个维度共同生长的结果,堆积过程与流场存在动态平衡关系;(3)考虑压差、巷道阻力、堆积段阻力、浆液初凝时间4个要素,提出了堆积段长度估算模型,建立了不同灌注阶段巷顶流速的预测方法和骨料粒径选择方法;(4)注浆后阻水墙的最大剪应力发生在距来水方向较近的位置,相较堆积段全部长度,受力影响范围仅为其很小一部分;水压力越大,剪力和轴力越大,但分布状态、影响范围及峰值位置均不变;围岩与墙体弹性模量比越大,阻水体剪应力分布越集中,峰值剪应力越靠近来水方向;当剪应力最大位置首先达到抗剪强度后,剪应力将向下游产生塑性变形直至形成新的平衡状态,否则失稳破坏。

过水大断面截流堵巷工程若干关键技术问题的探讨

在过水巷道中灌注骨料建造阻水墙是实现突水矿井水害治理的重要手段,阻水墙建造的关键技术问题长期以来缺乏理论技术支撑。从骨料灌注期间的水力学状态、堆积体的“生长-接顶”机制、截流施工参数、墙体受力特征、建造技术综合优化等方面进行了研究和探讨,结果表明:①截流过程可分为4个阶段,即骨料灌注前的施工准备阶段、铺底-充填阶段、骨料接顶阶段、注浆加固阶段,结合固液两相流数值模型验证了截流期间流量在时空上的动态分布效应。②灌注期间骨料运移受流场作用存在筛选效应,堆积形态与流速密切相关,当骨料灌注过程与流速总体匹配时堆积高度和长度可同步增长并向上游逆向接顶直至成功截流,如果水流流速过低则会提前接顶并在孔间留下空腔。③巷道倾角越大骨料向上山方向的起动流速越大,向下山方向越小,且下山中灌注时堆积长度更大、高度更低,不利于成本和工期的控制。④从能量守恒、渗流突破、浆液初凝时效3个角度提出了骨料堆积长度的估算方法,分析了不同预测方法的适用性,指出巷道倾角、分支巷、冲刷效应对骨料灌注量的影响。模拟得出5 MPa上游水压对阻水墙的最大应力影响范围不超过50 m,表明注浆加固重点区域是上游距来水端较近的范围。⑤提出施工前尽量避开不利因素,综合研判设计治水方案,截流过程中结合施工信息动态反馈对技术方案进行实时调整,以最小投入实现最佳堵水效果。

霍州矿区白龙煤矿突水陷落柱封堵技术研究

2007年3月18日霍州煤电集团白龙煤矿2-1101工作面发生陷落柱突水事故,最大涌水量1 200m3/h。经分析水源为奥灰系石灰岩含水层,出水通道为2-1101工作面陷落柱。为保证工作面支架、设备不被水泥浆液黏结损坏,又能达到堵水目的,先进行骨料灌注,保护架子设备,后进行注浆堵水,有效地防止了支架设备受损,达到了"保架堵水"目的,保证了矿井安全生产。

地面钻孔定向截流技术在煤矿防灭火中应用

本文从地面钻孔定向施工技术及骨料灌注技术进行防灭火技术研究,获得了技术上的新突破,取得了良好效果,对煤矿井下火区治理起到借鉴作用。

煤矿隐蔽特大突水通道快速封堵技术研究

2011年8月6日14时,临近黄河的韩城禹昌煤矿在11#煤层回采过程中发生底板奥灰水突水,突水通过相邻煤矿采空区,并与8月7日零时5分许冲跨桑树坪煤矿北二车场绕道封闭墙进入斜井280m大巷,很快淹没整个大巷系统造成斜井整体淹井事故。在进行了井上、下水文地质调查、物探、钻探探查和示踪剂测试、水质化验与综合分析研究的基础上,初步确定了突水点与过水通道的区域,结合矿井11#煤层顶、底板、奥灰岩峰峰二段水文地质条件特征,采取了骨料灌注沉积法和松散体注浆加固法,成功隔离了两个矿井之间的水力联系。经过单位吸水率、追排水量、水位变化、残余出水量检验,达到了预期目的,实现了隐蔽突水点及过水通道快速封堵,为矿井全面恢复生产提供了重要保障。

集中突(过)水巷道阻水墙综合建造技术

煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其位置不明确的情况下,利用独头突(过)水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆截流建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。系统地介绍了在动水条件下集中突(过)水巷道阻水墙的综合建造技术和工艺。