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。      

复杂突水条件下矿井注浆堵水技术

以桑树坪矿“8．7”突水堵水工程为例,论述了因小煤矿越界开采本矿深部煤层导致发生特大突水、在不明过水通道下的注浆堵水技术。为了在突水条件不清楚的前提下进行注浆,桑树坪矿先采用了多种探查手段,之后开展动水注浆。工程实践表明,在过水通道位置不清楚的前提下,首先要通过调查了解小煤矿的采掘情况,并结合本矿采掘系统确定截流段的大体位置;其次采用物探手段对该处过水通道进行探查,并根据物探成果使用井下钻探方法精确查明过水巷道的位置;之后展开动水截流,截流成功后再对煤层底板和奥灰岩顶部进行注浆。     

裂隙动水注浆渗流压力与注浆堵水效果的相关分析

采用裂隙动水注浆设备结合正交试验设计进行了裂隙动水注浆模型试验,获得了渗流压力场与注浆效果和注浆工艺之间的相关关系。结果表明,裂隙动水注浆的渗流压力场包括单峰型、平台型、多峰型、阶梯型4种类型;出现平台型和多峰型渗流压力场时的注浆堵水效果好,而出现阶梯型渗流压力场时的注浆堵水效果差;为了获得好的注浆效果且节约浆液,在渗流压力场为单峰型时应该适量增加注浆量;而在渗流压力场为平台型或多峰型时应该适量减小注浆量;渗流压力场为阶梯型时应该调节浆液配比,缩短凝胶时间。研究结果对应用压力监测及时控制施工质量和调整注浆工艺有指导作用。     

单一裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型,用计算机对单一裂隙动水注浆扩散模型进行编程和分析,试验验证该注浆扩散模型是合理的。研究结果表明,单一裂隙动水注浆在注浆前期浆液扩散面积呈圆形而在注浆后期浆液扩散面积呈椭圆形;浆液扩散半径与浆液黏度成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比;水流流动有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;水流流速增大或减小到一定程度时浆液扩散半径受水流流速的影响程度将逐渐减小;水流流动对逆水流方向扩散半径的影响程度大于顺水流方向扩散半径的影响程度;浆液扩散半径受水流流速影响最大,受裂隙开度影响次之,受注浆压力和浆液黏度的影响相对较小     

岩体裂隙动水注浆扩散半径影响试验

水灰比与注浆压力是动水注浆设计中的关键因素,基于自主设计的模拟裂隙动水注浆室内试验平台,开展了裂隙动水注浆试验,探讨了浆液在裂隙中的扩散方式,分析了纯水泥浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的联系,并通过计算流体力学软件模拟对试验结论进行了验证。研究结果表明:浆液的扩散方式为分区扩散,注浆压力不变时,扩散半径与水灰比成反比;水灰比不变时,扩散半径与注浆压力成正比。      

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望

注浆堵水是地下工程和矿山水害防控的常用技术措施,但是,目前浆液扩散机理与采动效应的研究滞后于工程实践的要求,制约了注浆工程科学有效地实施。本文跟踪裂隙岩体中注浆浆液扩散研究,受裂隙地下水“偏流效应”启发,提出了深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的命题,包括2个关键科学问题: 裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、偏流形成的“浆-岩”组合体采动变形破坏和渗透性变化机理。结合研究趋势,提出了跨学科综合研究方法。以典型矿山注浆防治水工程为背景,研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化,揭示裂隙岩体动水条件下注浆浆液扩散偏流机理及其影响因素,获得裂隙岩体内帷幕注浆形成的三维异形“浆-岩”组合体形态和力学特性,建立浆液偏流扩散数学模型,构建“浆-岩”组合体渗透性采动效应评价方法,为深部矿山水害防治和安全生产提供科学基础。     

出渗对均匀大粒径泥沙附近水动力特性影响

为探讨出渗对均匀大粒径泥沙颗粒周围水流特性的影响,基于粒子图像测速技术（PIV）对出渗影响下的均匀大粒径泥沙颗粒群周围水流结构进行测量,并对不同出渗强度下颗粒群周围立面二维流场结构进行了分析。试验结果表明:出渗能够减小颗粒群周围原水流运动方向的流速,而增大垂直向上的流速,且两者均随着出渗强度的增强而对流速的影响愈加明显;根据实测数据,拟合出考虑出渗影响下的均匀大粒径泥沙周围纵向流速分布公式,相关性较好;出渗能增强颗粒群附近的紊动强度,加剧周围水体的能量耗散;随着出渗强度的增强,颗粒群周围的涡量值随之减小。     

焦煤集团九里山矿14101工作面突水治理浅析

通过对焦煤集团九里山矿14101工作面底板突水经过的研究,认为工作面底板突水的水源是是Lg灰岩水,其直接补给水源为L2灰岩水,间接补给水源为O2灰岩水;导水通道为底板采动裂隙带。采取了在工作面打水闸墙,利用钻孔对采空区灌注骨料,增加水流阻力,切断导水通道,封堵水源,加固隔水层的地面注浆和井下工程相结合的综合治水方案。通过观察,工作面中间巷无水流出,突水前后水位变化明显,在较短时间内获得了堵水成功。取得了显著的经济效益和社会效益,为矿井突水治理积累了经验。     

有压动水覆盖层帷幕成幕及控制灌浆技术研究与应用

蓄水条件一定水头下的坝基覆盖层渗漏采用灌浆进行防渗处理时,面临水泥浆液抗动水冲释性差而被流水稀释分散、水流冲失以致灌浆难以成幕防渗以及耗浆量极大等难题。结合工程实践,本文研究了采用抗动水分散浆液、膏状浆液,遵循先堵后灌原则,上下游分排灌注不同浆液,解决了有压动水覆盖层防渗帷幕成幕及控制灌浆相关问题。工程应用效果好,为类似渗漏工程治理提供了重要的参考借鉴。     

煤矿采空区充填墩台承载特性试验

高浓度浆液注入到采空区后形成充填墩台,墩台搭接尺寸将影响其上覆承载力。为掌握搭接尺寸对上覆承载力影响规律,选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,配制高浓度浆液,并利用3D打印技术制模制作墩台试样,进行单轴抗压试验。结果表明,单个墩台在顶面面积和高度一定时堆积角度越小极限承载力越大;堆积角30°和45°的搭接墩台试样的极限承载能力均在对应的单个墩台的2.0~3.5倍范围,试样硬化后,搭接墩台试样的极限承载力随着搭接尺寸的增加呈先增大后减小的趋势;采用墩台充填的方式进行采空区治理时,合理设置注浆孔间距,使所注浆液在采空区内部形成搭接墩台群,其承载效果优于均匀分布的单个墩台;堆积角30°搭接墩台的场地承载力整体优于堆积角45°的搭接墩台;采空区内取充填堆积角30°搭接墩台,且注浆孔间距为极限搭接尺寸的38.5%时,治理场地内整体承载力最大。研究成果将为高浓度浆液部分充填治理采空区的工程实施提供依据。      

孔隙砂岩多次化学注浆试验研究

选取宁东地区典型的孔隙砂岩,采用不同颜色示踪的化学浆液进行4次注浆试验;揭示了浆液在孔隙中的扩散、充填规律及注浆次数与被注岩层渗透系数、孔隙率之间的关系。研究发现：每次化学注浆浆液的充填情况有明显的差别,首次注浆浆液在整个岩样均有较均匀的充填,后续的各次注浆浆液均呈现部分区域积聚充填的现象;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,孔隙充填率增加,渗透系数、孔隙充填率与注浆次数的关系可分别采用幂函数及对数函数拟合;4次注浆后岩样的渗透系数减小了97%,说明多次注浆起到了很好的减渗效果。依据试验成果,建立数值计算模型,预测了不同注浆次数、不同开挖条件下注浆孔及井筒的涌水量,并与井筒实际涌水量进行对比,发现两者数据较为吻合,说明依据试验结果建立数值模型进行涌水量预测是可行的。     

破碎煤岩体注浆加固效果综合评价技术及应用

破碎煤岩体注浆加固对于控制围岩稳定具有重要意义,注浆效果检测是保证注浆工程达到要求的重要环节。采用浆液填充率法、力学参数法、分段注水法、地质雷达法、钻孔电视法、取心检查法对评价指标进行定量化分析,提出了注浆效果综合评价表,并进行了应用研究。研究结果表明:浆液填充率、取心率要达到90%以上;注浆后其抗压强度、抗折强度至少分别达到未受影响的80%、75%;孔隙率应低于10%;地层钻孔漏失量低于4 L/min;地层煤岩体中仅存在少量大于1 mm的裂隙;巷道最大变形量不影响巷道正常使用,证实了注浆效果综合评价表的有效性。      

水泥-水玻璃浆液裂隙注浆扩散的室内试验研究

动水环境中的注浆扩散规律对指导突涌水治理注浆设计与施工具有重要意义。通过开展水泥-水玻璃（C-S）浆液单一平板裂隙动水注浆模型试验,揭示了基于试验条件下的C-S浆液裂隙动水注浆扩散过程的非对称椭圆（AE）扩散规律,提出浆水速比的概念并用其拟合AE扩散控制参数随时间的变化曲线,分析了浆水速比对浆液扩散范围的影响,最终建立了描述浆液扩散迹线的瞬态方程。研究结果表明：浆液扩散迹线可以采用随时间变化的非对称椭圆进行描述;逆水扩散距离和扩散开度与浆水速比正相关而浆液顺水扩散距离与浆水速比负相关。并据此对裂隙动水注浆设计提出了建议,希望对实际注浆工程提供一定借鉴。     

工业废铁链在煤矿特大动水条件下溃水灾害的应用

在牛儿庄矿特大溃水事故的治理中，利用工业废铁链作骨料，建立短距巷道堵水塞，并进行孔组并列式双液注浆技术，是治理煤矿突水事故的一项行之有效、经济合理的手段与方法，为综合治理水患提供了一条新的途径。     

1113机采工作面突水分析与治理

2006年4月19日,山东珑山实业有限公司1113机采工作面发生井下突水事故,突水量300m^3／h。通过水质化验、奥灰孔水位观测等资料分析,得出了突水水源为奥陶系岩溶水,突水的原因是断层、矿山压力及高水压三大因素综合作用波及到了底板奥陶纪石灰岩含水层的结论。在注浆治理中,本着截流封源的思路,在井下先后施工了两个注水钻孔。在注1号钻孔失败后,及时调整了方案,自1111机道7号点,沿方位260°3′44″掘专门堵水平巷130m,重新布置了注2号钻孔,修改了终孔落脚点,结果注2号孔准确命中目标。通过单液水泥注浆技术注入70．3t水泥,浆液的水灰比为：2：1～1．5：1,工作面水量最后稳定在20．16m^3／h,从而顺利完成了注浆堵水任务,为今后井下打钻注浆堵水提供了有益的借鉴。     

掘进巷道突水溃砂高压扰动注浆技术与应用

为了对弱胶结地层条件下的掘进巷道突水溃砂进行治理,以宁东煤田麦垛山煤矿2煤大巷掘进期间突水溃砂为研究对象,针对地面治理工程量大、周期长、井下常规治理风险高等问题,采用井下挡水墙建造、高压扰动注浆、钻注一体化和孔口控压保浆技术,完成了突水溃砂点封堵体的构筑。结果表明:通过在巷道内建造挡水墙,可以有效控制注浆期间的水砂淹没范围,经过对挡水墙及其围岩强度的核算,挡水墙能够至少抵抗1.64 MPa的压力,大于顶板含水层1.2 MPa的水压。首先在距离突水溃砂点较远的区域采用高压扰动注浆建造1号封堵体,将水砂淹没范围进一步缩小,然后在距离突水溃砂点较近的区域继续施工2号封堵体,对突水溃砂点周边进行治理;研发钻注一体化技术及钻具,能够避免钻孔在退钻后塌孔,影响后续注浆,实现钻探和注浆一体化作业。发明了孔口控压保浆装置,达到了在20 MPa注浆压力条件下浆液高效利用的目的;对巷道内松散砂体固结形成的封堵体采用取心和压水试验进行质量检验,取心完整,并且封堵体在1.8 MPa水压的作用下不漏水,说明封堵体质量良好。采用高压扰动注浆对掘进巷道内突水溃砂进行治理,具有安全、高效、经济等特点,并且可以有效避免治理期间二次灾害的发生。      

地面注浆加固技术在深部巷道厚层破碎围岩中的应用

淮南某矿井胶带机巷离地表深度约730m,在掘进中遇到岩体破碎带。由于破碎带厚度大,且富含水,造成了巷道变形严重,无法贯通。在分析矿区地质条件的基础上,实施了地面预注浆技术来加固破碎岩体：采用定向分支孔钻进技术以减小钻场征地面积和节约钻进工程量;运用飞管技术加固造斜段钻孔孔壁;根据窜浆钻孔的孔间距及井下漏浆点位置,确定浆液扩散半径;根据漏浆量及巷道变形观测结果确定注浆对巷道影响区的范围,并依此调整注浆参数和注浆结束标准。最后提出了地面注浆期间须加强井下巷道监测的建议。