Investigation of the Mechanism of Grout Penetration in Intersected Fractures

To study the penetration mechanism of cement-based slurry in intersected fractures during grouting and the related pressure distribution,we have used two different variants of cement,namely,basic cement slurry and fast-setting cement slurry.The influence of a retarder,time-varying viscosity,fracture width and location of injection hole is also considered.A finite element software is used to implement two and three-dimensional numerical models for grouting of intersected fractures in hydrostatic conditions.Results show that there are significant differences in the diffusion morphology and pressure distribution depending on the considered cement slurry.Retarder can effectively slow down the rising rate of injection pressure and extend the diffusion distance of grout.The influence of the branch fracture is more important when basic cement slurry is considered,indicating that the change of grout pressure is correlated with the slurry viscosity.The faster the viscosity increases,the less evident is the effect.

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥(OPC)、超细硅酸盐水泥(MC)、超细硫铝水泥(MSAC)及自主研发材料(EMCG),对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明:注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。

基于考虑时变性的宾汉姆流体的渗透注浆机理研究

结合宾汉姆流体的流变方程与流体粘度的时变性特性,建立了考虑时变性的宾汉姆流体的流变方程与渗流运动方程,并在一些假设的基础上,推导考虑时变性的宾汉姆流体的球形及柱形渗透注浆机理,通过设计两组室内注浆试验对其进行了验证。试验结果表明:由考虑时变性的宾汉姆流体的渗透机理公式计算出的理论扩散半径与试验实际测量的扩散半径虽然有20%左右的差异,但处于可接受误差的范围内,因而在总体上能够较好地反映考虑时变性的宾汉姆流体的注浆渗透规律,对注浆设计、施工和理论研究等方面具有一定的参考价值与指导作用。

黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究

浆液黏度时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体浆液的流变方程与流体黏度时变性方程,建立了黏度时变性宾汉体浆液的流变方程与渗流运动方程,并依据某些假设,推导了时变性宾汉体浆液柱-半球形渗透注浆机制及探讨了半球体部分扩散半径l1与柱体部分扩散长度m的关系:m=(2l1/3)(2n+1)。通过设计室内注浆试验对其进行了验证,结果表明:由黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透机制计算的半球体部分扩散半径、圆柱体部分扩散长度及注浆扩散体体积的理论值与试验测量值虽分别有15%、10%及40%左右的差异,但都处于可接受误差范围内,因而,在总体上能较好地反映黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形注浆渗透规律,对注浆设计、施工和理论研究等方面具有一定的参考价值与指导作用。

幂律型流体柱形渗透注浆机制

为进一步完善与丰富幂律型流体的渗透注浆理论,探讨了幂律型流体的柱形渗透注浆机制.采用理论分析与实验研究等方法,以幂律型流体流变方程及渗流运动方程为基础,推导了幂律型流体柱形渗透注浆扩散机制;分析它的适用范围及参数确定方法,并设计室内注浆试验对其进行验证.结果表明:实际测量计算的幂律型流体在被注砾(砂)石体中的等效扩散半径值与由幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理公式计算出的扩散半径理论值间虽有30%35%的差异,但都处于可接受误差范围内.幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理在整体上能较好地反映幂律型流体在被注介质中的柱形注浆渗透扩散规律,可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用.

有机高水材料注浆堵水机理研究

基于有机高水材料注浆堵水的二次渗透特性,采用浆液渗流圆管力学模型,研究了有机高水材料浆液在含水岩层中的注浆堵水机理.结果表明:在有机高水材料注浆堵水过程中,注浆量与有机高水材料浆液的黏度成反比,有机高水材料浆液与水反应过程中生成的大量气体可形成浆液的二次渗透压力,二次渗透压力与注浆压力协同作用克服含水岩层水渗流阻力,可促进浆液在含水岩层中进一步渗透.降低有机高水材料浆液黏度,并提高其与水反应过程中气体生成量,对矿井含水岩层注浆堵水效果具有积极作用.

海水环境下钙质砂水泥土加固体的微观侵蚀机制试验研究

针对海洋环境下钙质砂中的后压浆桩耐久性问题,通过微型贯入、扫描电镜、能谱、X射线衍射及无侧限抗压强度等多种试验手段,研究了养护时间与水泥掺量对海水环境下钙质砂水泥土加固体的强度变化规律,建立了钙质砂水泥土加固体的无侧限抗压强度与贯入阻力的关系,并与硅质砂水泥土加固体的试验结果进行了对比,揭示了钙质砂水泥土加固体的微观侵蚀机制。结果表明,根据贯入阻力的分布特征,可将海水环境中水泥土加固体分为侵蚀层与未侵蚀层,侵蚀深度随养护时间的增长和水泥掺量的减少而增加;与未侵蚀层相比,随着养护时间的增长,侵蚀层的孔隙增加,水化产物减少,且Ca的含量明显降低。根据水泥土加固体的强度时空变化、微观结构及物相成分的分布规律发现,海水侵蚀环境下水泥土加固体的强度变化是水化反应对水泥土加固体强度的增强作用和侵蚀反应对水泥土加固体强度的削弱作用的共同结果。研究成果可为评价钙质砂中的后压浆桩耐久性与长期安全稳定性提供参考依据。

石门揭煤破碎围岩注浆加固理论及应用

为了对鹤煤八矿-655轨道石门处破碎围岩进行注浆加固,基于黏度时变性宾汉体浆液,根据浆液扩散机理对围岩注浆加固技术展开探讨。在相关假设基础上,建立了黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆模型。由宾汉体浆液的流变方程与流体黏度时变性方程,推导出了浆液的有效扩散半径,确定了合理的浆液控制范围和注浆孔布置方式,并对注浆前后瓦斯抽采效果进行验证,结果表明,注浆后瓦斯抽采纯量提升了25.3%。

割缝数量影响下穿层瓦斯抽采钻孔注浆后裂隙扩展研究

为解决煤矿瓦斯抽采难题,提高瓦斯抽采钻孔封孔效果,探究瓦斯抽采钻孔注浆封孔后岩石注浆体受割缝影响的力学性质劣化及裂隙扩展规律,开展岩石注浆体的工业CT扫描及三轴压缩试验,全面分析割缝对岩石注浆体力学性质的劣化作用和岩石注浆体受载破坏后的裂隙扩展规律。研究结果表明:三轴应力条件下,岩石注浆体试样破坏后,二维裂隙率和分形维数随割缝数量线性增加,并在割缝位置附近达到峰值,这表明钻孔割缝对岩石注浆体的裂隙扩展具有导向作用,且割缝数量为1时试样裂隙分布范围最小;试样在受载破坏后三维裂隙率和分形维数随割缝数量线性增加,欧拉数则随割缝数量呈现出线性减小的趋势,这表明钻孔割缝会改善裂隙连通性,使得裂隙网络趋于复杂;同时,4种不同割缝数量的岩石注浆体试样的抗压强度随割缝数量的增加而减小,但其渗透率随割缝条数的增加而减小,综合考虑选取1~2条割缝较为合理,并经现场试验验证了割缝注浆封隔一体化技术的合理性。

一种兼具渗透与劈裂功能的复合注浆材料研发与现场试验

碎粉岩富水地层具有结构松散、粒径较小、黏聚力低、自稳性差等特点,传统浆液难以有效渗透加固。以碎粉岩工程地质特征为导向,利用有机-无机材料复合协同效应研发一种集渗透胶结及劈裂加固于一体的新型注浆材料(PSCG),克服碎粉岩“吃水不吃浆”这一工程难题。首先通过室内力学试验与注浆模拟试验验证上述材料研发思路的可行性,并选取碎粉岩加固所需关键指标进行物理力学性能测试(凝结时间、持水率、加固体抗渗性、强度、体积收缩率),结合微观测试手段(SEM、FTIR)揭示新材料的注浆加固机制,最后通过现场试验,研究PSCG材料对碎粉岩地质的加固效果。研究结果表明:PSCG材料具有渗透-劈裂双重作用同步加固效果。一方面,丙烯酸钠聚合生成网络状高分子结构,与水泥水化产物、水泥颗粒相互贯穿形成具有抗分散效果的三维互穿空间结构,并且有机-无机材料接触界面被改良,裂缝被充填,加固体7 d强度可达27.01 MPa。另一方面,丙烯酸钠溶液在注浆压力及毛细作用作用下渗入碎粉岩颗粒孔隙间并发生聚合反应,将碎粉岩颗粒锁合成整体结构,同时,碎粉岩中的金属与凝胶中羧酸基团形成强烈的配位作用,增加了聚合物网络的交联密度,提高了凝胶的力学性能,渗透区加固体7 d的强度可达2.4 MPa,渗透系数高达5.9×10^(-7)cm/s。结合现场试验结果,PSCG材料对碎粉岩地层具有堵水、加固双重效果。

幂律型流体的柱–半球形渗透注浆机制研究

在实际工程实践中,注浆是最常用的方法,注浆扩散机制是决定其能否在工程中成功应用的关键因素。采用理论分析与试验研究等方法,研究幂律型流体的柱–半球形渗透注浆形式的柱体部分扩散高度与半球形部分扩散半径的理论机制公式并分析其适用范围及参数的确定方法。通过设计室内注浆试验对其进行验证,结果表明：试验实际测量的半球体部分扩散半径及柱体部分扩散高度值与由幂律型流体的柱–半球形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径与扩散高度理论计算值间虽有30%-35%的差异,但都处于可接受误差范围内,在总体上能较好地反映幂律型流体在被注介质中的柱–半球形注浆渗透扩散规律。由于国际国内对幂律型注浆流体的柱–半球形渗透注浆机制的研究还鲜见报道,由此,本文的研究成果可为实际注浆施工提供一定理论支撑与指导作用。

考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制

多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。

基于堆积颗粒几何特征的多尺度渗透注浆扩散半径预测

为精准预测渗透注浆在粗粒土中的扩散半径,基于堆积颗粒的几何特征,提出微尺度颗粒几何特征识别与中尺度注浆通道重建算法,并结合大尺度注浆扩散模型,构建多尺度渗透注浆扩散半径预测模型。首先,基于粗粒土CT断面图像,采用颗粒几何特征识别算法(GIM)识别颗粒的椭圆度、粗糙度、长轴倾角以及粒径参数;而后依据这些识别参数,结合孔隙率和级配,通过中尺度注浆通道重建算法(GRM)建立渗流通道模型;基于该模型,联合运用多场耦合有限元(FEM)与蒙特卡洛法(MC),获得具有统计意义的中尺度渗透注浆模型;通过渗流速度将中尺度渗透注浆模型与大尺度注浆扩散模型耦合,建立多尺度渗透注浆扩散半径预测模型。通过与试验结果对比,验证预测模型的合理性(误差小于10%)。最后,采用该模型系统研究椭圆度、粗糙度、粒径、孔隙率、长轴倾角、流性指数和浆液平均黏度对注浆扩散半径的影响,大小关系为:粒径>浆液黏度>长轴倾角>流性指数>孔隙率>椭圆度>粗糙度,对应的皮尔逊相关系数依次为0.5,-0.374,-0.238,-0.188,0.161,-0.036,-0.019;通过对浆液扩散过程分析,发现堆积颗粒几何特性对浆液扩散的影响机制主要包括“孔喉约束”、“惯性阻力”、“通道宽度”以及“流固界面”效应。