三阶段渐进式煤层底板岩体注浆改造施工工艺

针对煤层底板岩体注浆改造工程施工过程中浆液对导水构造封堵不充分、改造效果不彻底等问题,在理论分析基础上,引用工程案例提出了均匀布孔全面注浆、突出重点加密注浆、量化检验补充注浆的三阶段渐进式注浆技术和动态分析、实时反馈、不断优化的工艺流程。     

巷道注浆加固浆液扩散数值模拟

通过注浆能较好地解决开挖后巷道修复和长期稳定的问题,然而注浆参数的确定往往需要借助工程类比。为探索注浆浆液扩散过程和注浆位置、注浆压力之间的关系,采用数值模拟软件UEDC对不同的注浆位置以及注浆压力,进行了数值模拟分析。通过注浆数值模拟试验,分析了注浆孔位置和注浆压力等因素对浆液扩散半径的影响规律,并将模拟试验结果应用于巷道注浆工程设计与施工中。结果表明:浆液扩散的形状随注浆位置的变化而变化;注浆压力对浆液扩散面积有一定影响。调压注浆是提高注浆效果的有效措施。     

采空区岩体粗糙单裂隙中浆液扩散机理研究

以某采空区岩体粗糙裂隙为研究对象,基于有限元软件COMSOL Multiphysics构建了三维粗糙单裂隙注浆模型,分析岩体裂隙中的浆液流动规律,研究了不同的裂隙面粗糙度、开度、注浆压力、裂隙倾角及浆液黏度影响的浆液扩散机理。结果表明,裂隙面粗糙度影响浆液的扩散面轮廓,粗糙度越大,浆液扩散阻力越大,浆液扩散各向异性越强;注浆速率与开度为二次多项式关系,裂隙开度越大,注浆速率的损失越小;注浆压力对浆液扩散轮廓的影响较弱,但改变了浆液的扩散半径,且注浆压力与扩散半径为正相关、与注浆速率呈二次多项式关系,注浆压力越大,注浆速率的损耗越低;浆液黏度并不影响其扩散的各向异性,仅改变浆液扩散的范围。研究成果表明了采空区粗糙裂隙中的浆液扩散机理,为采空区注浆范围的预测及加固决策提供了理论支持。     

高水头条件下管道裂隙浆液封堵机制试验研究

针对高水头下管道裂隙浆液留存率低、封堵效果差的问题,通过自主设计的可视化动水注浆试验平台,开展了高水头管道裂隙注浆封堵试验研究,探讨了影响管道裂隙浆液封堵的主次因素,揭示了水灰比、注浆压力及动水流速对水泥浆液封堵效果的影响。研究结果表明:影响高水头管道裂隙浆液封堵沉积厚度及逆向扩散距离的因素依次为动水流速、水灰比、注浆压力;在合理水灰比条件下,浆液沉积厚度及逆向扩散距离随注浆压力增大而单调递增;浆液逆向扩散距离相比沉积厚度对动水流速变化更加敏感。     

全风化花岗岩地层单-双液浆加固试验研究

针对全风化花岗岩注浆治理工程中的浆液选型及注浆参数调控问题,通过注浆模拟试验,对水泥浆液和水泥-水玻璃浆液(C-S浆液)2种浆液的加固效果进行对比分析研究。研究结果表明,单-双液浆在地层中均以劈裂扩散为主,但扩散模式具有显著差异:水泥浆液呈直线式和放射式2种,其主控因素为水灰比;而C-S浆液的扩散模式主要为放射式和网络式,扩散模式受水灰比和注浆压力双因素影响。2种浆液注入地层后,加固体试样抗压强度、抗崩解性均显著增高,根据对加固效果的作用关系可将水灰比分为注浆压力作用区(水灰比为0.80～1.13)和C-S浆液优势区(水灰比为1.13～1.50),水泥浆液多适用于深部高压加固区,C-S浆液多适用于浅部低压加固区。在满足注浆工程要求前提下,C-S浆液加固体压缩可变形性和残余强度比水泥浆液加固体的高,加固地层更为稳定。通过工程现场验证,研究成果对类似地层的注浆加固治理具有一定的参考和借鉴意义。     

新型无机缓凝封孔浆液注浆扩散形态研究

为解决已有瓦斯钻孔封堵技术中固态封堵材料无法封堵次生裂隙、导致瓦斯抽采后期抽采效果急剧下降的难题,提出了一种操作简单、成本低廉、提高钻孔密封效果的瓦斯抽采钻孔密封方法,即通过注浆泵带压注浆的方法将新型无机缓凝封孔材料注入2段膨胀封堵材料形成的密闭空间内对煤岩裂隙进行封堵。文中采用FLUENT数值模拟软件首先研究了煤矿井下工作面顺层钻孔封孔段在不同注浆压力和水灰比条件下的浆液扩散形态和钻孔封孔段周围浆液压力变化情况,然后对不同注浆时刻各种注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况进行了分析,得到了注浆时间与浆液有效扩散距离的关系,为现场注浆工艺参数的确定提供指导。最后在河南能源城郊煤矿进行了现场应用,在为期2个月瓦斯抽采的观测期内,使用新型无机缓凝封孔材料进行封孔作业的抽采钻孔瓦斯浓度始终大于30%,瓦斯抽采纯量变化很小,始终维持在0.12 m~3/min之上,瓦斯抽采效果提升明显。新的封孔材料为瓦斯封孔提供了新思路,对提高钻孔抽采效率、提高资源利用率、杜绝瓦斯事故具有一定的意义。     

不同土体中水泥-水玻璃浆液的扩散规律

为研究不同土体中水泥-水玻璃浆液扩散规律,基于浆液劈裂土体形成的裂缝形状和宾汉流体在平板裂缝中的流变方程,推导出不同土体中水泥-水玻璃浆液黏度、流量、注浆压力差、浆液扩散距离的计算公式,计算分析不同土体中水泥-水玻璃浆液的黏度、注浆压力以及裂隙高度对浆液扩散距离的影响。研究结果表明:浆液扩散距离随浆液黏度的增大呈非线性减小,随注浆压力的增大呈非线性增大,裂隙高度增大使浆液扩散距离迅速增大;通过注浆后工程现场取芯试验对计算结果进行分析,验证了不同土体中浆液扩散距离和劈裂缝高度的关系。     

迂曲度对盾构隧道管片注浆的影响

为了探究浆液扩散路径迂曲度对盾构隧道管片注浆效果的影响,以幂律浆液为对象,建立了考虑扩散路径迂曲度的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型;分析了注浆时间、终止注浆压力和注浆速率对浆液扩散半径和管片所受压力的影响。最后,利用Matlab与COMSOL Multiphysics软件,开发得到考虑扩散路径迂曲度的幂律浆液渗透扩散数值模拟程序,实现了盾构隧道管片注浆效果的可视化。研究结果表明：在其他参数不变时,终止注浆压力增大,则浆液扩散半径和管片所受压力均增大;随着注浆速率的不断增大,浆液扩散半径和管片所受压力先增大后减小。考虑浆液扩散路径迂曲度后,浆液扩散半径和浆液对管片的压力值较不考虑扩散路径迂曲度时减小,且随着终止注浆压力和注浆速率的增大,扩散路径迂曲度对扩散半径和管片所受压力的影响更加明显。     

深立井地面注浆浆液渗流规律数值模拟与应用

为研究深立井基岩段地面预注浆浆液渗流规律,以淮南某矿改扩建工程第二副井基岩段地面预注浆工程作为研究对象,将浆液裂隙流等效为多孔介质渗流,建立考虑注浆压力与岩石变形耦合效应的流固耦合注浆模型,运用数值模拟方法,分析裂隙基岩段地面预注浆浆液扩散半径和注浆压力与岩石渗透系数之间的关系。结果表明在其他因素保持不变的情况下,多孔注浆注入浆液量和浆液的扩散半径随注浆压力和渗透系数的增加而逐渐增加。揭示深立井裂隙基岩段地面预注浆浆液渗流规律,并成功应用于工程实践,为今后类似工程注浆参数设计与优化提供了参考。     

回采巷道锚注加固浆液渗流规律研究

为了获得回采巷道锚注加固工程中合理的注浆压力,首先将回采巷道围岩破碎区看作连续介质,并应用渗流理论得出了浆液在破碎围岩中扩散的基本方程,并建立了COMSOI数值计算模型,研究了不同注浆压力条件下的浆液流动扩散特征。结果表明:对于回采巷道锚注支护工程,浆液在垂直于钻孔方向的扩散深度明显大于浆液在垂直于钻孔方向的扩散半径,合理的注浆压力约为1.0~3.0MPa,并将研究成果用于桃园煤矿回采巷道锚注支护设计,取得了良好的效果。     

盾构隧道同步注浆纵环向整体扩散理论模型

针对目前现有的盾尾同步注浆扩散模型以浆液纵环向流动相互独立为前提,未考虑浆液流动的关联性问题,基于Bingham流体本构模型和流体力学原理,分析盾构隧道同步注浆扩散模式机理,建立了盾尾同步注浆纵环向整体扩散理论模型。基于时空离散概念,设计求解该理论模型的数值算法。结合工程实例,对理论模型和数值算法进行了验证,并与现有的环向独立扩散模型计算结果进行对比和分析。分析结果表明:纵环向整体扩散模型相较于环向扩散模型,改进了假定条件,不需引入环饼厚度等敏感假定参数,更加贴近工程实际情况;浆液压力整体上呈现着上小下大重力主导的趋势,竖向梯度约为16 kPa·m~(-1),而在注浆孔附近局部区域浆液压力分布较为复杂,与注浆孔位、浆液流动方向以及注浆压力与环境压力之间的压力差等因素有关。     

岩体单一裂隙动水注浆数值模拟研究

针对当前深部高应力地区裂隙面变形过程中咬合作用强烈,常导致局部凸起闭合形成“岛状”低水力开度区的现象,运用有限元软件建立单裂隙中部分填充固体表征非均匀水力开度模型模拟动水环境下浆液扩散过程,得出裂隙面的水力性质具有显著控制作用;计算结果表明：浆液横向最大扩散半径与低水力开度区域等效半径成负相关关系,而逆水流方向扩散半径与低水力开度区域等效半径成正相关关系。注浆是深埋碎裂岩体加固与防渗的重要技术手段,注浆变量因素对浆液最大横向扩散半径的影响程度为物理力学开度>水流速度>注浆速率>低水力开度区域有效半径;注浆变量因素对浆液逆水扩散半径的影响程度为注浆速率>物理力学开度>水流流速>低水力开度区域有效半径。相较于平行板注浆,非均匀水力开度裂隙模型更加符合实际工程状况,可为实际裂隙注浆提供参考价值。     

基于COMSOL的注浆渗透扩散规律数值研究

该文基于COMSOL软件模拟了注浆后浆液在单一光滑平板裂隙中渗透扩散现象,研究了水灰比、注浆压力对浆液扩散渗透的影响规律。结果表明:水灰比在1.5:1左右浆液性能优越;渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低。     

新型注浆材料力学特性及微观特征试验研究

为研究水玻璃-聚氨酯复合新型注浆材料的力学特性,基于水玻璃-聚氨酯(S-P)和水泥-水玻璃浆液(C-S)两种浆液的试验结果,对比分析了上述两种注浆材料的黏度时变性、不同龄期固结体强度以及固结体孔隙结构特征。分析表明：S-P、C-S两种浆液黏度与时间均呈非线性关系;S-P浆液固结体强度远高于C-S,可更好地满足地层原位改性要求;不同养护期的S-P浆液固结体孔径分布基本一致,内部孔隙结构稳定。然后,以顾桥矿东区-1 000m车场巷道软岩底鼓注浆治理为工程背景,选用S-P浆液进行注浆,采用瞬变电磁法及震电磁三场法探测注浆效果,结果表明：S-P浆液的渗透性、封水性及固结体强度均优于常规水泥浆液,对岩体微隙空间充填效果良好,可作为应急抢险类工程的优选注浆材料。研究结果可为类似注浆工程浆液材料选取提供一定参考。     

基于SPH的类矩形盾构同步注浆扩散机制及参数获取

异型盾构由于自身断面几何形状的特殊性,需要对其同步注浆的扩散效果及参数控制进行深入研究.利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对国内第1条类矩形盾构法隧道工程中同步注浆扩散机制和参数获取进行研究.分析结果表明,浆液扩散模式具有纵环向相互关联的挤压填充性流动特征,其在盾构顶/底部填充效率较差;高流动度和早强高抗剪性浆液的扩散面弧度与压力损失率效果以及整环流动封闭效率和填充均匀度都优于液态浆和抗剪浆;注入率150%对周边环境的扰动程度最小,上下孔位浆液注入比为4∶3∶2∶1的注浆效果最好,体现为浆液压力分布更均匀;而考虑较快的闭合/充盈时间可以认为对称孔位布置更适合类矩形盾构同步注浆施工.     

低渗透介质注浆浆液扩散机理试验研究

为研究注浆浆液在低渗透介质中扩散力学机理,以井工一矿4^#煤层中X5陷落柱中填充物为研究对象,设计了能够进行观察浆液微观扩散过程的可视化高应力注浆试验系统,设计了间歇式注浆实验方案,得出泥砂注浆固结体的几何模型。分析实验结果可知,浆液的扩散过程包括形成裂隙内流动和孔隙渗透两部分。浆液在流动过程中,注浆压力随着沿程距离的增大而减小,渗流通道周边的浆液渗透到泥沙孔隙中,浆液在孔隙中的活动包括渗入、絮凝、破坏絮凝层等循环过程。     

盾构隧道壁后注浆浆液时变半球面扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体且浆液沿半球面扩散的前提下,应用达西定律对盾构管片注浆扩散半径及浆液对管片产生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的计算式.通过具体实例,对比分析了考虑浆液粘度时变性和不考虑浆液粘度时变性2种条件下注浆压力、注浆时间、浆液初始粘度、土体渗透系数对浆液扩散半径及浆液压力的影响,得到了浆液压力的分布形式.分析结果表明,注浆压力和土体渗透系数较大且注浆时间较长时,浆液的粘度时变性对浆液扩散范围和压力的影响显著;可通过调整注浆压力、注浆时间、浆液特性来调整注浆效果.     

裂隙岩体注浆结石体收缩变形与抗剪强度

为了提高裂隙岩体的力学性能,保证工程的质量和安全,采用水玻璃-水泥混合注浆液对裂隙岩体进行加固。通过直剪试验、显微镜实时观测试验,研究注浆结石体的强度与变形特性,以此评价水玻璃-水泥混合液作为注浆材料的可行性。试验结果表明,水玻璃-水泥混合注浆液有效的提高了裂隙岩体的力学性能。水玻璃-水泥注浆溶液不但改变了裂隙岩体的微结构、裂隙率和岩体的物质组成成分,使岩体的致密度和强度增加;而且注浆溶液在岩体结构面中凝固后对结构面进行填充加固,有效的提高了注浆结石体的黏聚力c,增强了注浆结石体抵抗外力破坏的能力。裂隙率对注浆结石体的强度影响显著,随裂隙岩体裂隙率的增加,注浆结石体(裂隙岩体与注浆材料经过物理化学变化后形成的结合体)的抗剪强度减小;在裂隙率相差不大时,裂隙岩体的裂隙条数对注浆结石体的抗剪强度有重大影响,随着裂隙条数的增加,注浆结石体的抗剪强度减小。在注浆结石体抗剪强度减少过程中,注浆结石体的黏聚力c不断减小,内摩擦角φ基本保持不变。注浆结石体在第12 d时达到最佳抗剪强度,而水玻璃-水泥质量比为1.3∶1注浆液工程性能最为理想,期最佳抗剪强度为6.243 MPa。     

井筒冻结孔环形通道注浆扩散机制及注浆封堵设计方法

为研究井筒冻结孔环形通道注浆扩散过程,构建了双侧向柱形边界约束下的注浆扩散理论模型,考虑到浆液流变性推导了注浆扩散控制方程;运用Matlab平台开展仿真研究,获得注浆速率、浆液流变性影响下的注浆扩散规律,据此提出冻结孔环形通道注浆设计方法,指导注浆终压、浆液扩散距离等关键指标的选取。以营盘壕煤矿主井冻结孔注浆治理工程为依托开展现场试验,基于矿井地质与水文地质条件确定主井注浆区段为+731.5～+813.5m,注浆终压为6.75MPa,注浆孔间距为12～14m。注浆工程完成后经随机施工的18个检查孔检验,钻孔涌水量均小于0.01m~3/h,表明注浆效果良好。研究成果对西部矿区类似矿井的安全建设具有一定的参考价值。     

岩土工程风动注浆系统设计与应用

目前的注浆设备一般采用电驱动,在高瓦斯、易发火、空间狭小条件下使用具有安全隐患,在富水岩层中注浆效果差。通过对注浆浆液扩散情况进行分析,提出调压注浆工艺;在此基础上,根据风驱动特点,改变动力装置,优化打孔拌料注浆等工序,进行注浆设计;研制了风动注浆系统(排水、拌料、注浆、现场评估四个部分),并系统的介绍注浆系统的结构、功能及步骤,具有连续、便携、注浆稳定、注入浆液稳定等特性。以贵州省龙潭组地层中某软岩巷道围岩变形治理为工程背景,结果表明注浆效果良好,效率显著提高;研究成果对注浆工程的应用具有一定的指导作用。