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。     

富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究

注浆是处治隧道塌方、突水突泥等地质灾害的有效手段,但对于岩体结构多样、结构面发育的富水断裂带,注浆理论及控制技术尚不成熟。基于富水断裂带内部岩体结构,建立了注浆概念模型,提出了优势劈裂注浆概念。基于广义宾汉流体本构方程,建立单一平板优势劈裂注浆扩散模型,推导了考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程。由方程可知,注浆速率、注浆压力及浆液黏度是影响注浆扩散的3个主控因素。深入分析了优势劈裂注浆过程中3个主控因素对注浆扩散的影响规律,基于此提出优势劈裂注浆控制方法,形成了注浆压力差异控制、控制液动态调节及注浆速率梯度控制3项关键技术,促使浆液在优势结构面内控制性扩散。研究成果成功应用于江西省某隧道断裂带塌方处治工程中,取得良好治理效果,对隧道断裂带地质灾害控制理论研究和工程实践具有一定指导意义。     

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。     

水泥基速凝浆液裂隙扩散机制与压力特性试验研究

水泥基速凝浆液广泛应用于富水裂隙围岩注浆工程。为研究水泥基速凝浆液在裂隙注浆中的扩散机制与压力特性,选取水泥-水玻璃浆液及高聚物改性水泥浆液,采用不同水灰比及混合体积,开展了静水条件下单一平板裂隙的注浆扩散模型试验,通过监测浆液的注浆扩散形态和注浆过程中不同测点的压力变化,研究了水泥基速凝浆液的静水扩散规律和注浆扩散压力分布规律。试验结果表明,水泥-水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液具有相似的扩散形态和压力分布变化,两者的显著差别在于高聚物改性水泥浆液扩散所需的注浆压力明显小于水泥-水玻璃浆液,且凝结固化时间相对较长,有利于延长注浆扩散距离。研究结果应用于张马屯铁矿注浆堵水工程,解决了裂隙岩体渗漏水问题,实现了围岩稳定性控制。研究成果具有一定的理论和实践意义,对类似工程具有参考价值。     

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     

可变倾角单裂隙动水注浆模型试验研究

突涌水灾害对地下工程危害严重,实践表明,注浆是治理突涌水灾害的有效方法。近年来,裂隙岩体注浆理论的研究成为热点,但裂隙动水注浆理论发展缓慢,不能有效指导工程实践。在水平裂隙动水注浆U型扩散理论基础上,研发可变倾角小比例裂隙动水注浆模型试验系统,开展多组室内模型试验,研究倾角对裂隙动水注浆扩散规律的影响机制,同时,利用COMSOL软件对一定倾角的裂隙动水注浆扩散进行数值模拟。研究表明：当裂隙水平时,满足U型扩散形态;当裂隙存在倾角时,在动水水头差和浆液自身重力因素作用下,浆液呈现彗星状扩散形态;相同扩散效果下,注浆速率随裂隙倾角的增加呈抛物线型增长规律,增加注浆速率可以保持注浆孔附近相对于其周边区域的浓度梯度优势。该研究结论对于目前裂隙动水注浆理论是一种重要补充,对指导突涌水灾害治理有一定的实践意义。     

烧变岩体特性及其注浆扩散行为研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的特殊类岩石。通过现场取样,在实验室对烧变岩试样进行了物理力学性质测试,试验结果表明：烧变岩的含水率略有降低,而力学强度普遍增强,泊松比略变小,烧变岩体裂隙发育。注浆压力作用下,分析了裂隙尖端的劈裂情况,在此基础上,利用宾汉浆液扩散模型编制了浆液在裂隙网络中的流动扩散程序,可以模拟浆液在非贯通裂隙网络内的流动扩散范围。最后对柠条塔井田烧变岩体进行注浆试验,利用浆液流动模拟程序进行了注浆压力的优化选择,并将实际浆液扩散范围与程序模拟浆液扩散范围进行对比,二者结果较吻合,该程序可以用来指导现场注浆工程参数设计和施工,同时烧变岩体注浆试验也为类似工程注浆施工提供一定的参考依据。     

浆液在透明复制裂隙中驱替行为的可视化试验研究

在地下工程中,注浆技术是修复裂隙岩体和封堵地下水的重要手段。了解浆液在岩石裂隙中的流动行为对优化注浆方案有重要意义。通过可视化试验研究了粗糙裂隙中浆液性质对注浆过程的影响规律,提出了驱替模式试验相图,并阐明了其细观机制。试验结果表明,浆液的驱替行为与传统牛顿流体不同,注浆速度和浆液质量分数显著影响粗糙裂隙中浆液的驱替模式;在浆液的驱替过程中,浆液流变性质和裂隙开度变异性的共同作用及其相互反馈影响引起的黏度变化是形成不同驱替模式的重要原因;注浆流速越小,浆液质量分数越大,两相界面越稳定,浆液最终填充率越高;驱替过程中浆液难以完全填充裂隙的较小开度区域,且随着注浆流量的增加,浆液最终填充率呈现明显的非单调性;浆液最终填充率受驱替形态的影响显著,基于界面稳定分析理论,推导了浆液在粗糙裂隙中驱替形态转变的临界条件。该研究成果揭示了粗糙裂隙中浆液扩散的机制,可为评价与控制岩体注浆效果提供参考依据与技术思路。     

煤层底板水害区域超前治理技术优化及其应用

为了进一步提高煤层底板水害区域超前治理技术的治理效果,应优化注浆工艺,扩大技术的应用范围。总结淮北矿区区域底板超前治理工程实践表明,低压扩散和中压加固阶段压力控制对注浆总量起主要控制作用,进而直接影响灰岩含水层改造效果,推导的不同岩溶裂隙发育程度地层的注浆量预计公式,可以有效指导注浆工程设计。此外,提出了工作面区域内、外双(钻)孔组的水平布设方法,优化注浆工艺的同时,提高了钻孔利用率。针对注浆工程中注浆压力控制及浆液选取等关键技术问题,建立了研究区裂隙发育程度的多源信息判识方法和“微压充填—低压扩散—中压加固—高压劈裂”的“阶段型”注浆压力控制模型,细分了不同注浆阶段的注浆浆液类型,推导了注浆压力的分级阈值和设计公式,实现了注浆压力的分区段高效、精准控制,对煤矿底板水害超前区域治理技术的应用与推广具有重要意义。      

巨厚含水层注浆浆液扩散半径及影响因素研究——以峰峰矿区为例

总结了饱水裂隙岩体中浆液的球形扩散模型和柱状扩散模型。通过对不同注浆模型中各参数,如浆液黏度、岩石孔隙率、注浆孔半径、岩体渗透系数及启动压力等对注浆扩散半径的影响分析,认为注浆孔半径和岩石孔隙率对宾汉姆流型浆液扩散影响不明显,而影响浆液扩散半径的主要因素是浆液黏度、岩体渗透系数及启动压力梯度。最后针对峰峰矿区,通过计算提出了包括注浆压力和注浆结束压力的注浆参数理论值。     

江底隧道垮塌涌水冒顶地质灾害的高压注浆防治

在江底隧道施工中，以砂岩和泥质砂岩为主的破碎、裂隙节理发育地层经钻眼爆破震动后，出现了垮塌、涌水、冒顶等事故，直接危及工程和江堤安全。针对事故突发性、破坏性及危害性，制定了严格周密的防治 方案。应用高压封闭注浆技术，进行地层改良。首先砌筑封闭墙是关键一步，务必完全封闭，并能承受高压，该墙直接影响注浆成败；其次，河床沉陷处注浆既与井下注浆相互补充，又稳固河床及江堤；第三，注浆使浆液充填裂隙通道和垮塌体空隙，在高压下充填饱满、密实；第四，浆液硬化使裂隙被封堵、垮塌体胶结成完整一体，初步达到防垮止水目的；第五，浆液养护后，破碎地层在浆液胶结硬化作用下具有一定强度，达到地层改良目的；最后，地层改良后务必钻眼芯进行检 测，以观注浆效果。经过高压封闭注浆治理，垮塌、涌水、冒顶地层得到完全改观，注浆区域内不再垮塌、涌水，使工程顺利通过该垮塌涌水区，进入下一步施工程序。     

论帷幕注浆施工中的压力管理

在帷幕注浆施工中,注浆压力是一个重点控制的内容,通过注浆压力的分析、研究,可以判别浆液在岩石裂隙中充填、扩散、挤密过程,从而调节浆液浓度变化、控制注浆量,在很大程度上能控制帷幕注浆治水效果及经济成本。结合赵家湾铜矿帷幕灌浆治水工程,分析了帷幕注浆施工中浆液在岩石裂隙中充填、扩散、挤密过程注浆压力的变化规律,为注浆施工的压力控制提供依据。     

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。      

盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析

在假定注浆浆液为牛顿流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率来考虑建筑间隙的影响,对盾尾注浆和管片注浆2种情况下的浆液渗透范围及因注浆而对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。结果表明,盾构隧道壁后注浆浆液的扩散半径及对管片产生的压力与注浆压力、注浆时间、土体特性及浆液性质等众多因素有关,盾尾注浆对管片产生的注浆压力小于管片注浆对管片产生的压力。在假定其他参数已知的条件下,通过一具体实例,讨论了盾尾注浆时浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力与注浆压力及注浆时间的关系。结果显示,虽然增大注浆压力、延长注浆时间均能增大浆液的扩散半径及对管片产生的压力,但增长速度不尽相同。     

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     

基于脉动注浆的宾汉流体渗透扩散机制研究

脉动注浆虽已在注浆防渗加固工程中得到推广应用,但浆液在脉动压力下的渗透扩散机制却鲜有报道,导致理论远滞后于工程实践。以宾汉流体流变方程、渗流方程及颗粒沉积理论为基础,推导了脉动压力下宾汉流体的渗透扩散理论计算公式,分析了脉动注浆参数对浆液扩散距离的影响,并通过室内注浆模拟试验对其进行了验证。结果表明,脉动压力下宾汉流体渗透注浆扩散理论计算值与试验实测值间存在一定误差,但能满足工程要求,可用于指导工程施工。随着脉动注浆连续时间的增长或地层初始孔隙率的增大,浆液扩散距离随之增大,而随着脉动注浆间隔时间的增长或地层初始孔隙率的减小,浆液扩散距离随之减小,实际注浆工程中为确保有效的浆液扩散距离,宜根据岩土体孔隙率合理地调节脉动连续时间和脉动间隔时间。研究成果可为脉动注浆理论研究提供借鉴,为实际施工提供理论指导。     

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。     

敏东一矿软岩区地下水注浆治理技术及应用研究

由于敏东一矿南一采区覆岩岩性较软且粘土成分含量较高,造成采空区垮落带的储水空间有限,煤矿面临的矿井水外排压力和地下水保护问题尤为突出。通过对导致地下水涌漏的原因进行分析,认为煤层开采引起的覆岩导水裂隙是造成地下水涌漏的主要根源,而采用地面钻孔、人工注浆封堵方法隔绝地下水泄流通道,实施帷幕注浆加固技术对巷道导水裂隙进行封堵,可以有效封堵覆岩导水裂隙。实践证明,根据矿区的地质和水文条件,按照隧道帷幕注浆工程设计和施工流程,优选注浆孔位置、间距、注浆材料和浆液配比、钻孔结构和注浆施工参数等,采用孔内止浆花管注浆对巷道软围岩进行帷幕灌浆,使巷道软围岩裂隙得到充分充填和加固,是解决矿区矿井水“零排放”难题、实现地下水保护的重要途径。     

软弱地层注浆的细观力学模拟研究

基于散体介质理论的颗粒流方法,运用PFC2D软件对软弱地层注浆过程进行了细观力学模拟,研究了注浆压力、注浆时间、渗透性质及颗粒黏结强度对浆液扩散半径和注浆类型的影响规律。采用PFC2D软件内嵌的FISH语言,定义了提取特定位置流体域内压力值的函数,研究了浆液扩散的分布特征,考虑浆液黏度的时变性对浆液扩散范围的影响,定义有效注浆半径对其进行修正,得到的浆液扩散规律与球形扩散理论较为一致。结合工程实例进行了注浆细观力学数值模拟,并提出了科学的注浆方案,在现场应用后取得了较好的堵水加固效果     

采空区松散堆积物注浆模型试验研究

以采空区松散堆积物为研究对象,分别设计模型箱注浆模型和压力注浆模型对浆液的扩散规律进行试验研究,探讨注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量对浆液扩散距离的影响规律。试验结果表明:注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量四个因素与浆液扩散距离之间存在定量关系,可用公式进行拟合,影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率,其次是注浆量和浆液水固比,注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小;浆液在松散堆积物中流动的压力损失是由浆液流速的不均匀性、浆液与松散堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的;对浆液在松散堆积物中扩散速率影响最为显著的是注浆压力,其次是堆积物孔隙率,浆液水固比影响最小。