多孔介质中Bingham型浆液柱状渗透规律研究

为考虑多孔介质微观结构对浆液扩散规律的影响,在假定Bingham型浆液黏度随时间呈指数函数变化且浆液呈柱状渗透扩散的前提下,基于分形理论及毛细管模型,建立了考虑黏度时变性的Bingham型浆液在多孔介质中柱状渗透扩散的分形解析表达式.分析了注浆压力差、迂曲度、黏度时变系数、注浆时间对浆液扩散距离的影响.结果表明:注浆压力差、注浆时间相同时,迂曲度对浆液扩散距离影响显著,迂曲度较大的多孔介质中浆液扩散距离较小;注浆压力差、注浆时间相同时,黏度时变系数越大浆液扩散距离越小;不同迂曲度的多孔介质中,要在特定的注浆时间达到设计的扩散距离,注浆压力差随黏度时变系数增大呈非线性增大的趋势.在渗透注浆设计时应充分考虑多孔介质中孔隙大小的分形分布和实际流动路径的弯曲特性.     

瓦斯抽采钻孔封孔水泥浆液水灰比优化研究

为进一步提高本煤层瓦斯抽采钻孔封孔模拟的准确性,考虑水泥浆液扩散过程中黏度时变性及应力对浆液扩散造成的影响,对不同水灰比条件下的水泥浆液基本性能进行实验室测定,分析了不同水灰比的水泥浆液性能及变化特点。采用理论推导、数值模拟的方法,对不同水灰比条件下的水泥浆液扩散范围开展研究计算,对煤矿井下注浆封孔水泥浆液的水灰比进行了优化。在贵州小屯煤矿对模拟结果进行实测验证,现场封孔效果较好,进一步结合井下实际情况对水泥浆液的水灰比进行优化。研究结果表明:水泥浆液初始动力黏度随水灰比增大而减小,水泥浆液黏度随时间基本呈指数增长;根据井下实际封孔情况并结合模拟结果,确定水泥浆液的最佳水灰比为0.9。     

巷道注浆支护浆液渗透扩散规律研究

为了研究某煤矿注浆的渗透扩散规律,对岩体裂隙特征进行了分析,然后对岩体裂隙渗透注浆进行了假设,并根据煤矿的现场具体工程概况,建立了单裂隙模拟渗透注浆扩散系统,研究了不同水灰比浆液扩散距离与时间关系。研究得出,浆液黏度与浆液扩散距离呈反比;随着裂隙张开度的增大,浆液扩散半径也越来越小,此时浆液扩散半径与裂隙张开度表现为正比关系;浆液扩散距离与注浆压力呈正比。研究为煤矿巷道的注浆支护提供了一定的理论基础。     

单裂隙模型水泥浆液渗透扩散规律研究

针对基础的单裂隙岩体,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立单裂隙岩体模型,研究不同因素影响下水泥浆液扩散速度及扩散距离的变化规律。研究结果表明:浆液的扩散半径不随水灰比变大而单调增加,而是存在合理的水灰比使浆液的扩散范围达到最大;浆液的扩散对裂隙张开度的变化十分敏感,而注浆压力的影响较小。研究成果可用于指导注浆工程实践,为定量设计注浆参数提供理论依据。     

弱胶结砂砾层水平注浆细观模拟研究

为从细观角度分析弱胶结砂砾层水平渗透注浆过程，利用颗粒流软件建立水平注浆数值计算模型，基于正交试验和单因素试验，研究浆液黏度、注浆压力、注浆时间3个因素对浆液扩散半径和试样孔隙率的影响规律。使用回归分析方法拟合公式，得到扩散半径与3个因素之间的关系。模拟结果表明：浆液扩散半径与注浆时间、注浆压力呈正相关关系，与浆液黏度呈负相关关系，对扩散半径影响最为显著的因素是浆液黏度，其次是注浆压力和注浆时间；浆液扩散速度随时间递减，在注浆压力1.0 MPa工况下，注浆时间0.15 h浆液扩散速度为3.44 m/h,至3 h减小到0.32 m/h;试样孔隙率随注浆时间、注浆压力的增大而增大，随浆液黏度的增大而减小；花管同时注浆与单孔顺序注浆相比，在相同时间下浆液扩散范围更大，浆液扩散为一个整体。通过对比工程实例，发现利用颗粒流数值模拟结果能够较准确反映出砂砾层渗透注浆的一般扩散规律。     

水流速度对单裂隙化学注浆浆液扩散影响的试验研究

在不同水流流速条件下，对单一裂隙动水化学注浆浆液扩散规律和注浆堵水效果进行了一系列试验。结果表明，水流流速越大，浆液沿逆水流方向和垂直水流方向的扩散距离、固结体面积和堵水率越小，堵水效果越差；水流流速对逆水流方向扩散距离的影响程度大于对垂直水流方向扩散距离的影响程度。采用理论模型计算了水流流速对浆液沿水流方向和逆水流方向扩散的影响，表明水流速度对逆水流扩散距离影响大，逆水流扩散距离随流速增大降低明显。在动水条件下，为了获得好的注浆效果，注浆孔布置应考虑水流流速的影响，在水流速率大时要减小注浆孔的间距。     

双浆液黏时变性柱面扩散半径研究

在柱面扩散半径公式基础上推导考虑黏时变因素下的柱面扩散半径公式,运用MATLAB算法化简模型,分析水泥浆液和水泥-水玻璃浆液在不同设计参数下扩散半径变化情况,结果表明不同浆液注浆管半径和注浆压力水头对柱面扩散半径影响基本一致,但水灰比和注浆时间对不同浆液影响程度不同。     

动水条件下水泥浆液初始沉积运移规律研究

为了研究突水巷道注浆后浆液颗粒的初始沉积位置及堆积形态，基于水泥离散颗粒与动水之间的耦合作用建立了浆液沉积运移理论模型；采用室内模型试验分析了浆液在管路中的初始扩散运移形态，探讨了浆液初始沉积位置与动水流速、水灰比和管路内径之间的联系。研究结果表明：浆液初始沉积位置与动水流速、水灰比及管路内径均呈正相关关系；动水流速对浆液初始沉积位置的影响大于水灰比和管路内径，且试验结果与理论模型计算结果相吻合。研究成果可为实际动水注浆施工中注浆行为开始时机的准确把握提供参考。     

动水条件下宾汉体浆液在倾斜裂隙中运移规律

通过理论推导建立了考虑浆液自重的倾斜裂隙动水注浆扩散模型,通过模型试验分析了动水流速及裂隙倾角对扩散规律的影响,验证了扩散模型的合理性。结果表明,不同工况下浆液的扩散形态基本都是从圆形到椭圆形再到U形;随着裂隙倾角增加,浆液形态中圆形持续时间逐渐缩短直至消失,椭圆形持续时间变长,逆水方向和横向扩散距离减小,扩散形态略显修长;水速越高浆液形态变化耗时越短,逆水方向和横向扩散距离越小,浆液的最终形态越修长。     

裂隙注浆浆液浓度分布试验研究与机制探讨

水泥基注浆材料是煤矿防渗与加固工程中最为常用的注浆材料,其配置而成的水泥单液浆属于悬浊液。对于煤矿裂隙注浆而言,悬浊液自身特性影响着注浆扩散过程,并导致扩散后浆液浓度沿扩散路径上的分布存在一定差异,影响注浆治理效果。为研究裂隙注浆中浆液沿扩散路径上的浓度分布规律,基于自主研发的裂隙注浆模拟试验平台开展了注浆扩散模拟试验,以浆液完全析水沉降后的固相体积占总体积的比例作为浆液在裂隙内浓度的表征,获得了不同裂隙开度与水灰比条件下浆液沿扩散路径上的浓度分布特征。基于非牛顿流体力学理论,探讨了浆液沿扩散路径上的浓度分布形成机制。研究结果表明:各水灰比浆液在裂隙扩散运移后的浆液浓度随着浆液扩散距离的增加而降低,并呈现出流动稀化趋势,靠近注浆孔位置浆液浓度高,浆液扩散运移锋面处浆液浓度最低;相同裂隙开度条件下,低水灰比浆液沿扩散路径上的浓度大于高水灰比浆液沿扩散路径上的浓度;裂隙开度越大,浆液在裂隙扩散后的浆液浓度越高;浆液在裂隙流动扩散中显现的沉降渗滤特性导致了浆液在裂隙扩散后的浓度分布差异。结合上述研究结果,对于裂隙注浆工程而言,可先注入水灰比较高的浆液以保证浆液扩散距离达到设计值,然后,注入水灰比较低的浆液以提升整个浆液扩散区的浓度,保证注浆效果。     

淋水软弱巷道注浆加固扩散机理与参数优化的研究

为了研究淋水软弱巷道注浆加固与封堵围岩过程中浆液渗透扩散机理并优化注浆参数, 采用流固耦合数值分析方法探索浆液在岩体中的运动扩散规律,并给出合理注浆压力、时间与浆 液水灰比;基于弹塑性与渗流理论分析水渗透压作用下注浆加固半径与塑性区大小关系,确定合 理注浆深度。 研究结果表明:高水黏度时变特性浆液在岩体中的扩散范围随着压力、水灰比和注 浆时间增加而增大,针对石碣峪矿井地质生产条件,合理注浆压力为２*５ＭＰａ,水灰比为２∶１,注浆 时间约为３０ｍｉｎ;随注浆半径增大塑性区半径减小,但减幅变小,得出合理注浆半径约为１０*２９ｍ; 在注浆半径５*５ｍ、渗流压力０*５ＭＰａ下,巷道围岩塑性区半径为２*８４ｍ,大于无渗流塑性区半 径２*１０ｍ;在深孔锚索注浆治理淋水软弱巷道中采用优化后的注浆参数,取得了良好的效果。     

基于注浆支护的巷道围岩浆液扩散规律研究

注浆工程的隐蔽性导致浆液在岩体裂隙内扩散渗透规律研究无法表面、直观,注浆机理研究存在一定不足。通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立模型来模拟在静水条件下改变水灰比、裂隙张开度、注浆压力等参数浆液扩散规律的变化,并模拟浆液扩散不同位置渗透压力的变化,发现浆液呈圆形扩散以及不同参数条件下渗透压力和扩散距离的变化规律。研究得出:浆液有效扩散距离随裂隙张开度基本呈线性递增,张开度对浆液扩散距离改变明显,浆液渗透扩散对裂隙张开度较敏感;渗透压力随浆液扩散有效距离增加而降低。研究为巷道围岩注浆加固提供一定的理论依据。     

倾斜裂隙动水注浆扩散规律及堵水关键域研究

在煤矿开采过程中,受复杂水文地质条件的影响,工程建设经常会遭遇突涌水、塌方等地质灾害,严重制约了地下工程的安全建设和发展。注浆技术作为地下突涌水灾害治理的有效手段,在煤矿水害防治领域得到了广泛应用。为研究动水条件下倾斜裂隙注浆扩散规律及封堵机理,通过自主研发的动水注浆试验系统,进行了倾斜裂隙动水注浆试验;采用有限元法求解Navier-Stokes方程和浆水相界面控制方程,获得了注浆过程中不同时刻的浆液扩散形态和扩散面积,分析了倾斜裂隙空间内的流速场和压力场分布规律,并与试验结果进行了对比验证;基于模型试验与数值模拟结果,揭示了堵水关键域浆液运移规律,建立了倾斜裂隙动水注浆堵水关键域扩散模型。结果表明：当注浆压力恒定不变时,随着裂隙倾角和动水流量的增大,浆液沿顺水方向扩散距离均随之迅速增大至出流边界,沿逆水方向和垂直于动水流向的扩散距离明显减小,导致浆液扩散面积不断减小,使得浆液扩散形态由圆形变为椭圆形,最终到达出流边界时呈U形;在注浆扩散过程中,随着裂隙倾角的增加,浆液不断驱替过水断面逐步形成了高流速过水通道,使得裂隙横断面流速分布呈现出岭陡谷宽的形状;同时,在倾斜裂隙不同高差位置压力...     

基于渗滤效应的砂土注浆加固机理研究

含水砂层采用水泥注浆时不可避免产生渗滤效应,渗滤效应对浆液有效扩散范围、加固效果具有显著 影响。 基于渗流力学的一般原理和质量守恒,对浆液扩散速度、压力及水泥颗粒运移、滤出机制进行了分析,并采用矿 渣硅酸盐水泥、聚合物超细水泥对含水砂层进行了注浆试验。 理论推导和模型试验表明,浆液水灰比、注浆压力及介 质孔隙率均在一定程度上决定着注浆加固效果。 随水灰比和孔隙比减小,浆液浓度增加,有效扩散范围减小;注浆压 力减小,浆液扩散分布不均衡,在一定程度上也降低了注浆加固的效果。 研究结果对于含水砂层注浆治理具有一定 的参考价值和学术意义。     

基于浆液流变参数时变性的超细水泥风氧化带注浆加固技术

以顾北煤矿13116工作面风氧化带回采为工程背景,在分析煤层赋存条件和基岩风氧化带特征的基础上,测定了超细水泥浆液的时变性流变参数和风氧化带顶板岩层的渗透特性参数,建立了针对顾北矿风氧化带顶板岩层渗透特性的基于浆液流变参数时变性的浆液扩散方程,进行了注浆工程设计。研究结果表明:水灰比0.6的超细水泥浆液是典型的流变参数时变性幂律型浆液,在可泵期内有较好的流变性,其流变参数可以通过高分散性纳米SiO2和聚羧酸减水剂来调控。对风氧化带注浆,必须在综合考虑岩体的有效渗透率Ke,孔隙率φ和浆液的时变性流变参数c0,k和n的基础上,合理地设计注浆压力和浆液扩散时间,才可以实现浆液在被注煤岩体中的高效扩散,切不可过度增加注浆扩散时间。     

矿区岩溶裂隙岩体帷幕截流注浆参数确定研究

为使用帷幕注浆手段治理某矿区岩溶裂隙发育地层水害,采用室内试验对不同水灰比水泥浆液性能进行试验研究,得到不同水灰比水泥浆液性能及变化规律;并利用理论分析和数值计算对帷幕注浆压力和水泥浆液扩散半径进行了研究计算;结合帷幕墙体建设区域水文地质条件,综合确定了帷幕墙体建造尺寸、钻孔间距、注浆压力及水泥浆液选取工艺,为帷幕注浆治理工程设计提供了科学依据。最后,利用帷幕墙体内外放水试验检验了帷幕注浆墙体的截流效果,截流效果达到设计目的和要求,因此也验证了帷幕注浆参数选择的合理性。研究结果表明:水泥浆液黏度、结石率和结石体强度随水固的增大而降低,凝结时间随着水灰比的增大而增大,变化速率随水灰比的增大而降低;帷幕墙体厚度为40 m、钻孔间距为20 m和注浆终孔压力为4～6 MPa;利用放水试验对比帷幕墙体内外水位变化历时曲线是帷幕注浆效果检验的最直接手段。     

矿井裂隙动水注浆堵水研究

以浆液的黏度变化和浆液在动水裂隙中的扩散形态及凝结固化机理为基础,对注浆封堵裂隙水技术进行分析,采用相似模拟、数值模拟进行研究,得到水颗粒沉积机理和浆液注入动水的压力场变化规律。结果表明,浆液在沉淀充填范围内根据浆液沉积充填浓度可分为可凝结固化区和不可凝结固化区;随着注浆速率增加,浆液稳定状态范围变大,发生沉积充填有效凝结范围变大;当动水速度增加时,浆液扩散范围逐渐减小,沉积充填范围也越来越小。     

水泥稳定浆液配比及适用条件研究

为了确定水泥稳定浆液的配比,研究了不同水灰比,不同外加剂含量条件下,水泥浆液的析水率、粘度、抗压强度、初(终)凝时间的变化特性,结果表明:水灰比为0.8,膨润土掺入量为2.5%,减水剂掺入量为0.8%时,水泥浆液的各项性能指标均满足稳定浆液的要求,且最经济,因此,该配比可作为水泥稳定浆液的适宜配比。然后,通过粘度时变曲线确定浆液的最佳可注时间为2h。最后,依据稳定浆液在裂隙中的流动特性,给出了稳定浆液的注浆压力、扩散半径与裂隙宽度的关系表达式。     

松软破碎煤巷注浆加固技术与应用

为确定加固松软破碎煤巷合理的注浆参数,对不同水灰比条件下高水速凝材料单液浆和混合液浆流变曲线进行了回归分析,结果表明:各流变曲线相关系数均大于0.97,回归方程均符合宾汉体的本构方程,确定其流型为宾汉体,针对松软破碎煤巷孔隙率大、渗透系数大、有动压下表现出一定流动性特点,基于广义达西定律和球形扩散理论模型,采用注浆过程中浆液流型不变的假设,推导出宾汉体在松软破碎煤层中基于黏度时变性的有效扩散半径计算公式,进而确定注浆孔间排距和注浆压力的合理参数,与常用注浆参数计算 Maag 公式相比,因该公式没考虑浆液的屈服强度和黏度时变性,计算的注浆扩散半径偏大.该技术应用于大阳煤矿 3100 工作面回风巷注浆工程,取得了良好的维护效果.     

煤体注浆材料优选及加固煤体单轴压缩试验

为了在瓦斯抽采钻孔施工过程中对帷幕注浆加固材料进行优选,通过黏度和抗压强度,确定高延性水泥基复合材料的基本水灰比。采用粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯醇作为掺合剂,研究了不同掺合剂配比对注浆加固材料性能的影响,包括浆液黏度、凝结时间及固结煤体渗透率和抗压强度。试验结果表明:高延性水泥基复合材料的基本水灰比为0.75∶1;水灰比对注浆材料的黏度和抗压强度影响显著,注浆材料黏度与固结煤体渗透率、抗压强度、弹性模量受掺合剂配比影响明显;与其它体系相比,体系1(粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯配比分别为(5%、15%、3%)注浆材料黏度适中,固结煤体渗透率较低,抗压强度最高,其注浆效果最优。