Theory and technology of preventing water from flooding roadways

According to the principle of effective stress action of rock and soil, we established a mechanical model of water flooding into roadways,analyzed the constitutive relation of hydrodynamic pressure and contact pressure of rock and soil and discovered that the process of pre-grouting of a roadway curtain is a dynamically balancing process in which effective stress keeps gradually in- creasing and pore water pressure gradually declines. In such a grouting process, the initial water plugging effect is realized when the effective stress and total stress reaches equilibrium. A rigid-flexible packing layer is designed behind the brickwork to increase the effective stress and reduce pore water pressure in order to have a permanent water proof performance. This provides a theoretical basis for roadway driving and permanent water prevention. The monitoring and application results show that the initial and perma- nent waterproof theory has provided an effective method for roadway driving and making it waterproof.

基于RSM的超细水泥注浆材料配比及性能优化模型

注浆堵水技术已成为水害措施防范向工程治理不可缺少的技术之一,超细材料的研究也成为了目前注浆材料发展的新方向。为了解决矿井水害注浆治理工程中注浆材料优选和配比优化问题,采用单因素试验与响应曲面法(RSM)相结合的方法进行超细水泥注浆材料优化配比研究。首先通过单因素试验对不同水灰比、硅灰(SF)掺量及高效聚羧酸减水剂(PCS)掺量条件下浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度进行分析,以确定RSM最佳基准水平,其次构建以浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型,结合方差、残差及响应曲面分析各响应变量对响应目标的影响规律,确定注浆材料最优配比。通过单因素试验结果对比分析,发现最优水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为1∶1、35%及0.3%。通过RSM研究发现,浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度不仅受单一因素影响,且存在多因素交互作用。根据建立的二次多项式响应面回归预测模型可知,当水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为0.7∶1、38%及0.2%时,注浆材料性能最优,其回归模拟预测浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度分别为210.82 mPa·s、1.0%及12.22 MPa。通过室内试验,其结果与预测模型结果吻合度较高,进一步验证了模型的可靠性,证明了该模型能够用于注浆材料优化配比设计研究。

底板出水水源判识及快速治理检验技术研究与应用

为了快速治理工作面底板出水,首先通过水化学分析方法判识了主要出水水源为底板砂岩水,底板采动裂隙沟通隐伏断层形成了导水通道。提出了基于地面定向钻的分区域分阶段注浆治理思路,将治理区域划分为回采出水区和物探异常区,针对回采出水区提出分阶段对底板垂向导水通道进行封堵。在停采线前方30 m进行第1阶段注浆,在停采线后方30 m进行第2阶段注浆。在注浆过程中通过分析出水点水质变化以及PQT曲线,对治理效果进行了预评价;治理结束后根据出水量衰减和井下钻探情况验证了治理效果。表明了基于地面定向钻进的分区域分阶段注浆治理技术可以快速有效地封堵底板出水,研究结果为华北型煤田底板砂岩出水治理提供了宝贵经验。

动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料性能试验研究

针对煤矿岩体裂隙与管道动水条件下凝结时间长、留存率低、堵水效果差的问题,通过室内试验,研究一种动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料及其在动水条件下的材料性能,确定了一种单液浆动水注浆材料,测试了动水注浆材料的凝结时间、流动度、强度和抗冲刷性能,并分析了动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料成本。研究结果表明:动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料主要由硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、钢渣粉、可分散性乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、钠基膨润土、醚类聚羧酸高性能减水剂、白木质素纤维和柠檬酸组成;环境温度为20℃时,初凝时间为40~75 min,通过调节柠檬酸的掺量或增大搅拌时间可延长注浆材料的初凝时间;注浆材料流动度保持在20±3 cm的时间段为10~40 min,失去流动度的时间为15~50 min;水流流速为1.2 m/s时,动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料抗冲刷留存率在85%以上,流速为0.6 m/s时,抗冲刷留存率在90%以上,流速为0.2 m/s时,抗冲刷留存率在95%以上;水胶比0.5∶1的注浆材料1d强度达到7.1 MPa;动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料具有良好的抗动水冲刷性能和低廉的价格,并可根据不同工况调整初凝时间和失去流动度时间,满足煤矿岩体裂隙与管道长距离单液浆注浆堵水需求。

低温季节泵送混凝土结构施工期温控防裂研究

低温季节施工时针对泵闸等结构泵送混凝土防冻与防裂的技术难题,以SYG工程为例,结合工程实际施工过程及现场温控监测成果进行大体积泵送混凝土温控防裂反馈分析;对比分析了不通水工况与实际通水工况下的应力曲线与混凝土容许拉应力曲线,并结合现场温控过程中存在的主要问题探讨了低温季节下泵闸工程的温控防裂技术.结果表明,在-8℃的较低温度下,采取充分的水管冷却和严格的表面保温措施可有效控制结构内部最高温度、内外温差以及最大拉应力水平,减小水闸结构开裂风险.本工程温控实践经验可为类似条件下的泵闸工程提供参考.

地表水环境中微(纳米)塑料污染防控面临的挑战

微(纳米)塑料因其可在水体、沉积物、土壤等环境介质中长期存在并危害生态环境,且在环境中难降解的特性已成为一种新污染物。根据国内地表水环境中微(纳米)塑料的分布、来源和生态毒性效应的相关研究发现,地表水环境中微(纳米)塑料的来源繁杂,直接来源主要包括个人护理品、工农业制备、各类垃圾不当处置等;间接来源为污水处理厂的污水排放、地表径流、原始塑料的风化降解等。微(纳米)塑料的生态毒性组成复杂,除其本身对于生物体的生化胁迫外,还易与其他污染物形成复合污染,对水生生物产生交互效应。因此,研究治理地表水环境微(纳米)塑料污染已刻不容缓,本文可为地表水环境中微(纳米)塑料污染防控和生态风险研究提供理论参考。

富水卵漂石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道施工技术研究

[目的]富水卵漂石地层盾构下穿既有地铁线路施工过程中,易导致既有地铁线路上方土体不规则沉降超出控制范围,进而可能引发地下水喷涌和地面塌陷问题。为此,需要对富水卵漂石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道的施工技术进行研究。[方法]以新建成都地铁17号线凤溪大道站盾构下穿既有地铁4号线为案例,在阐述工程概况的基础上,选取了4个地面沉降测点和4个深层土体沉降测点,分析了盾构掘进过程中地层的沉降变化规律。采用MIDAS GTS软件建立了三维有限元模型,对采用38 m超长管棚与斜向注浆相结合的加固施工进行模拟,对4号线隧道预加固效果进行了分析。基于此,明确了地面跟踪注浆的时机,进一步分析了地面跟踪注浆的效果。[结果及结论]该加固措施有效提高了4号线结构底部土体的整体性,改善了4号线结构的受力状况,有效控制了4号线的结构沉降。

下穿地表水塘浅埋隧洞综合超前预报与防控措施研究

下穿地表水塘浅埋隧洞是一项复杂且高风险的工程,地质条件对施工安全和工程质量影响巨大。施工前深入了解地质情况,制定有效的安全防控措施至关重要。研究以磨盘山隧洞为依托,探讨了下穿地表水塘浅埋隧洞工程中的地质风险与安全防控措施。针对该难题,基于地质分析、地震波法、瞬变电磁预报方法和钻孔探测等方法,构建了下穿地表水塘浅埋隧洞的综合超前预报体系,并对下穿地表水塘隧洞区段的不良地质进行了探测与综合分析预警。结果表明:建立的下穿地表水塘浅埋隧洞的综合超前预报体系能够有效地判识隧道前方不良地质情况,得出的预警结果能够有效地指导现场施工,为现场安全防控措施的制定提供了依据,保障了磨盘山隧洞的高效安全掘进。

近河涌基坑渗流破坏补救加固方法探索及应用

某近河涌基坑采用三轴水泥土搅拌桩帷幕止水,基坑开挖过程中发生涌水、涌砂渗流破坏,数次堵漏补救失败后,提出一种将双液注浆与旋喷桩相结合的双液旋喷桩施工工艺,解决了涌水涌砂问题,完成了止水补救加固,没有对基坑及周边环境造成不良影响,保障了基坑后续开挖施工的顺利进行。以该工程为例,介绍了该基坑渗流破坏的补救加固过程,总结了双液旋喷桩工艺的技术要点。

金属矿山地下水防治与协同保护技术研究

为解决金属矿山开采过程中矿山防治水与水资源、水生态保护之间的矛盾,本文开展了金属矿山地下水防治与协同保护技术研究。通过开展堵水帷幕浆液扩散搭接研究,取得如下成果:(1)修正了深孔单级压水试验、给定帷幕钻孔孔间距计算公式;(2)根据矿山防治水高承压、强岩溶、低渗透工况需要,研发室内注浆试验平台,并开展了注浆试验指导施工需要;(3)攻克受限空间帷幕注浆难题,实现钻探分支孔造斜段小于5 m、分支顶角大于37°,将布孔间距提高至36 m;(4)研发“制-注-控”一体化智能注浆系统,实现“1站4机16台套”多通道联动协同;(5)建立矿山防治水注浆技术体系,突破帷幕堵水-基岩回灌交互影响和多层位基岩大流量回灌技术瓶颈,重构矿区尺度内“帷幕-回灌”地下水双流场水力新平衡。本研究提出的金属矿山地下水防治与协同保护技术实现了矿山安全开发与地下水资源、水生态的协同保护,相关技术成果可为大水金属矿山防治水工作提供借鉴。

特殊地质条件下覆岩离层注浆钻孔疏通及工作面跑浆防治技术研究

为了有效解决建筑物下压煤与矿井开采之间的矛盾,近些年采动覆岩离层注浆技术得到广泛的推广及应用,并产生了良好的经济效益。但在覆岩离层注浆工程中经常会出现各类跑浆事故,影响矿井生产和安全。分析了采动覆岩离层注浆工程钻孔压水p-t曲线,针对性的采用了高压气-液联动通孔技术成功疏通已下入注浆管的ZK-2钻孔,并结合采矿情况合理确定了钻孔注浆时机。在此基础上,以工作面跑浆事件为案例,从地质构造、采动影响裂隙发育、支承压力等方面对跑浆原因进行了详细分析,从封堵浆液压入量计算经验公式、堵漏时机、浆液材料及配比、具体实施方法四个层面制定了跑浆综合处置方案,经检验封堵效果良好、处置方案科学有效,后续注浆过程中未出现类似事故。

定向注浆防治水技术研究及应用分析

针对山西某矿6号煤层因受垂向隐伏构造影响,存在严重开采突水风险的问题,为有效解决上述问题,研究了定向注浆防治水技术在该煤层的应用,通过让MWD无线随钻测井系统与随钻测斜仪进行合理配合,来确定钻孔轨迹,根据钻孔位置并结合钻孔岩性情况,来选用合适的钻井液,并设计出了具体的注浆流程与注浆评价标准,最终创建出一套多分支定向钻探注浆防治水工艺,经进行水平分支钻孔间距评价,并长期观测与动态分析地下水位情况,得出通过应用该定向注浆防治水技术进行防治水,可取得较好的防治水效果,消除水害隐患,更好地保障矿井安全生产。

矿粉基防治水注浆材料的实验研究

为提高煤矿防治水注浆加固效果,改善注浆材料性能,降低注浆材料成本,同时为工业固体废弃物的高值化综合利用寻找新的途径,本文通过大量的实验室实验,最终确定了以粒化高炉矿渣为主要原材料,以脱硫石膏、水泥熟料及外加剂为辅料,研制了一种矿粉基注浆材料,通过与注浆用矿渣水泥进行交叉对比,分析矿粉基注浆材料在可流动性、相对粘度、浆液沉降速度、凝固状态及力学性质等物理性能,为矿粉基注浆材料在防治水工程中应用提供理论依据。

深厚富水砂卵石地层注浆封闭止水及加固技术

针对深厚富水砂卵石地层的防渗,列举了常用止水方式高压旋喷帷幕灌浆及混凝土防渗墙的众多不足,采用一种新型、高效的基坑注浆全封闭止水及加固技术,将注浆技术与建筑物地基加固和基坑的支护、防渗、止水融为一体,加固坡面和基底,解决了基坑支护、止水、降水问题,同时增强了卵石层地基的地基承载力、强度和渗透稳定性,有利于工程建成后水工建筑物的安全运行,取得了良好的工程应用效果。

基于综合物探的承压开采回采工作面底板注浆治理效果分析

为了验证承压开采回采工作面底板注浆治理效果,本文以霍州煤电汾源煤业5-104工作面底板注浆工程为例,注浆前采用多种(多次)物探技术手段,对承压开采回采作面内部及底板构造赋存、含水层富水性等情况进行综合探查;工作面需要开展多次注浆,每次注浆后采用物探手段进行验证,指导下一次注浆,为注浆治理工作提供“靶区”;将注浆前后综合物探数据进行对比分析,检验注浆治理效果,保障回采工作面安全回采。

基于压水试验和放水恢复试验的帷幕注浆效果综合评价

帷幕注浆效果评价是烧变岩水害治理工程的重要环节之一。以神南矿区柠条塔煤矿S1232工作面烧变岩水害帷幕注浆工程为背景,分别采用检查孔取心验证、注浆前后压水试验、抽水试验以及井下放水试验恢复试验对治理工程的效果进行综合评价。结果表明:通过取心发现在风化基岩段均见到水泥浆液充填薄层,J5孔在烧变岩烘烤岩层中发现浆液填充。注浆后续孔的渗透系数在1.8×10^(-5)~5.9×10^(-5)cm/s,5个检查孔中的渗透系数为2.2×10^(-5)~3.7×10^(-5)cm/s,注浆后的抽水孔渗透系数在2.7×10^(-5)~4.3×10^(-5)cm/s,均属于弱透水。对比注浆前的渗透系数,注浆后的所有钻孔压水试验获得的地层渗透系数均减少了一个数量级。根据抽水实验结果,注浆前后的渗透系数为190×10^(-6)cm/s和(1.04~2.2)×10^(-6)cm/s,单位涌水量分别为0.045 9L/(s·m)和0.014 1~0.023 1L/(s·m)。注浆后帷幕区域渗透系数远小于注浆前,相差两个数量级,单位涌水量数值也减小了一半。根据注浆前后放水恢复实验结果,注浆后井下关水水位恢复均较注浆前快。F26孔初始水压0.8MPa,注浆前后分别在关水后4h和5.55h后水压恢复至0.6MPa;地面长观孔的水位变化也呈现相同的趋势。以上所有指标均反映了帷幕注浆工程对火烧区改造明显,和南侧烧变岩含水层的水力联系明显降低,帷幕注浆效果明显。研究成果将为类似条件的烧变岩水害治理工程效果评价提供参考。

新型聚氨酯注浆材料的研制及其在煤层防治水中的应用

为了降低聚氨酯注浆材料的成本,以纳米改性剂CAG-1为无机填料,将其与聚醚多元醇PTMG、甲苯二异氰酸酯TDI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI、磷酸三(2-氯丙基)酯TCPP和甲基膦酸二甲酯DMMP相结合,以辛酸亚锡为催化剂,柠檬酸为缓凝剂,研制出了一种新型聚氨酯注浆材料,并考察了纳米改性剂CAG-1对新型聚氨酯注浆材料性能的影响。研究结果表明,纳米改性剂CAG-1的质量分数越大,新型聚氨酯注浆材料的密度、黏度和不挥发物含量越大,凝胶时间和包水性越长,发泡率和遇水膨胀率越小,抗压强度则随着CAG-1质量分数的增大先升高后降低,推荐CAG-1的最佳质量分数为5%,此时制备的新型聚氨酯注浆材料综合性能较好。现场应用结果表明,5口矿井采用新型聚氨酯注浆材料进行分流注浆堵水措施后均取得了良好的堵水效果,堵水率均达到90%以上,涌水量显著下降,应用效果较好。

固隆煤业南板桥断层水害探查与治理研究

针对固隆煤业受南板桥断层影响,部分巷道受水害威胁,影响采掘安全的问题,分析了涌水、补水情况,设计了钻探及注浆工程。通过钻探工程,进一步控制了断层走向、倾角、落差,表明南板桥断层具有导水性;揭露了溶洞,表明其为地表水补给深部含水层的重要通道。据此对南板桥断层破碎带进行了注浆加固改造,有效减弱了南板桥断层上盘K2、K3灰岩与下盘奥陶系灰岩之间的水力联系,保障了固隆煤业的生产安全。

桑树坪矿3307-2工作面底板水精准防治技术研究

桑树坪矿煤层底板承压含水层富水性和透水性极不均一,为了实现3307-2工作面的安全开采,通过实施音频电透视,探查出了3个异常区,对异常区进行探查的钻孔均有不同程度的出水现象,经过疏放后所有钻孔的单孔涌水量均小于0.5 m^(3)/h,疏放结束后实施了注浆加固工程,共计注入水泥159袋,最终实现了3307-2工作面的安全开采,证明音频电透视与钻探和注浆相结合的精准防治水技术有效,为矿井后续防治水工作提供了技术借鉴。

煤矿工作面水害防治技术及安全性评价

为降低煤矿工作面底板灰岩的水害威胁,实现其安全开采。本文针对物探、钻探发现的5个异常区,采取底板钻探探查和注浆加固相结合的治理措施,施工钻孔48个,完成注浆量49.85 t;顺层加固钻孔14个,共注水泥52.6 t,并通过应用钻探方法,探查验证和治理这5个物探异常区。最后通过分析评价煤层隔水层隔水性能、隔水层厚度、突水系数和水害防治技术,结果表明该工作面可以进行带压安全开采。