孔隙裂隙砂岩渗透注浆试验研究

西北地区广泛发育着弱胶结、强富水的孔隙裂隙砂岩层,在矿井建设中存在普通颗粒型浆液难以注入该岩层,注浆防水减渗效果差等实际问题。以新庄煤矿风立井井筒建设为工程背景,以室内试验为基础,选取典型的孔隙裂隙含水砂岩,采用超细水泥和脲醛树脂两种浆液进行重复四次注浆试验,其中前两次注超细水泥浆液后两次注脲醛树脂浆液。试验结果表明:重复注入超细水泥浆液能够很好充填岩石中较大的孔隙裂隙;而对于超细水泥浆液无法注入的微细孔隙裂隙,重复注入溶液型化学浆液可以充填颗粒型材料无法注入的微细孔隙裂隙;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,说明浆液在孔隙裂隙中的充填效果明显;颗粒型浆液和溶液型浆液结合使用能够起到很好的防渗堵漏效果。     

考虑时变性的黏土水泥浆扩散规律理论分析

黏土水泥浆作为应用广泛的矿山注浆材料,需要对其在裂隙中的扩散理论做系统性的研究,优化长期以来依靠经验公式指导设计与实践的状态。基于流体基本方程,结合考虑时变性的广义宾汉姆流体本构方程,推导出钻孔注浆条件下,黏土水泥浆在裂隙中辐向扩散方程|对比了单次注浆时间较长条件下,浆液流变参数考虑时变性和不考虑时变性对注浆压力的影响|分析了考虑流变参数时变性时裂隙开度、注浆流量和流变参数同注浆压力的关系。结果表明：在单次注浆时间较长情况下,浆液的时变性对注浆压力有较大影响|一定注浆流量下,裂隙开度越大,浆液所需注浆压力越小,但呈非线性关系,且对注浆压力的影响效果强于时变性|另外对于不同注浆流量情况,随扩散距离变化,流量与时变性对注浆压力的影响先后占主导|浆液流变参数与注浆压力呈正相关关系,且扩散距离越长影响越显著。     

基于流固耦合的单一裂隙浆液扩散规律研究

为研究浆液在裂隙中的扩散规律,基于幂律流体的本构方程,推导出了幂律流体的浆液扩散方程。考虑围岩应力场和浆液流体场的双向耦合,运用数值模拟软件,建立考虑流固耦合作用的单一裂隙注浆模型,分析了注浆压力、浆液密度、裂隙开度等因素对浆液扩散和裂隙变形的影响。研究结果表明,注浆因素对浆液扩散半径的影响程度由高到低依次为:裂隙开度、注浆压力、浆液密度;注浆因素对裂隙最大变形量的影响程度由高到低依次为:注浆压力、裂隙开度、浆液密度。     

可控浆液压力和浓度注浆器研究

分析了地下工程围岩裂隙分布规律，即靠近巷道轮廓处的裂隙开度和裂隙密度最大，随着与巷道轮廓距离增大，其开度和密度逐渐减小。据此研制了一种可变注浆孔内压力的新型注浆器。该注浆器的工作原理为，水泥浆液沿注浆孔底部向孔口部流动时，其经过注浆器外管上的滤水条缝越多，浆液失水亦越多，其浓度也越高，而其压力则越低，从而满足了向孔底部小开度裂隙以较高压力注稀浆，向孔口部大开度裂隙以较低压力注浓浆的需要。该注浆器可以使孔口压力降低为孔底的1／7—1／8，从而使注浆孔周围浆液扩散半径在孔口部与孔底部基本均衡。通过模拟试验确定了注浆器的主要参数，验证了该注浆器改变注浆孔内浆液压力的有效性.     

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。     

裂隙岩体注浆扩散范围及注浆量数值模拟

为预测浆液在裂隙中的扩散范围,建立二维正交裂隙网络宾汉浆液渗流模型,采用中心型有限体积法进行数值模拟。分别研究不同参数下,浆液在裂隙中的扩散范围,给出多因素影响下的注浆扩散半径公式和注浆量公式。研究表明,注浆压力、浆液黏度、浆液剪切强度、裂隙开度和裂隙粗糙度对浆液扩散半径起到主导作用;注浆压力、钻孔长度和裂隙开度对注浆量起到主导作用。通过该公式可定量预测任意参量下浆液扩散范围和注浆量。     

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。     

黏土水泥浆深井裂隙注浆模拟试验研究

为更好的指导深井注浆施工,研究和完善在深部岩石裂隙环境下黏土水泥浆的流动扩散规律,在注浆试验台上对黏土水泥浆进行了不同深井静水压力下的裂隙注浆模拟试验研究。结果表明,在深井裂隙条件下,黏土水泥浆的浆液有效扩散距离、注浆终压、静水压力、裂隙隙宽等主要注浆参数之间存在相互影响,通过多元回归分析可以总结出各参数之间的相关关系式,可用于现场施工的分析及计算|分析总结了注浆压力随时间变化的三种变化规律,并将其与最终注浆效果进行了关联性分析。     

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。     

赵固二矿地质体改造注浆防治水技术及应用

介绍新型煤矿注浆系统在赵固二矿防治水中的应用。该矿采用地质体注浆改造系统对太灰、奥灰含水层进行注浆充填,封堵透水裂隙,把含水层改造成弱含水层或隔水层。系统采用水泥-黏土混合浆液,密度1.12～1.4 t/m3,泵送注浆,流量34～250 L/min,选用内径41～50 mm地质管作为注浆管。自2009年系统建成以来,2年内共向煤层底板注入水泥3 000多t,系统运行平稳可靠,注浆效果良好,完全满足矿井防治水工作需求,创造经济效益1 159.20万元。     

松散软岩巷道锚注支护注浆材料配比试验研究

对于松散、整体强度极低的砂砾岩巷道,采用锚注支护是一种经济、有效的措施,注浆材料及适宜的浆液配合比的确定是其中一个重要环节。通过对水泥浆、超细水泥浆和水泥水玻璃浆进行的一系列浆液性能室内试验,探寻了水灰比和掺合比对浆液性能的影响规律。根据试验结果对比分析,水灰比为0.8的普通硅酸盐水泥浆和体积比1∶1水灰比0.8∶1的水泥水玻璃浆液对松散软弱砂砾岩巷道进行现场注浆试验和锚注支护较为适宜。     

基于紧密堆积理论的低密度固井水泥浆设计

合理的颗粒级配是提高固井水泥环内部密实度、早期力学强度和界面胶结能力的关键。基于此,本文从几种典型的连续颗粒级配的紧密堆积理论中优选出DFE进行固井水泥浆体系设计,并通过大量实验首次确定了适宜G级油井水泥基深水固井水泥浆体系设计的n值最优范围:0.33~0.40。结合激光粒度分析仪实测结果,在粒径≤3.38μm、3.38~70.70μm、≥70.70μm三个范围内依次采用纳米CaCO_3(nano CaCO_3,以下简称“NC”)、G级油井水泥和漂珠,并按DFE(n=0.33~0.40)体积分布曲线进行混配。在此基础上,提出一种密度为1.50 g/cm^(3)的低成本低温早强三元固相级配水泥浆体系,并与漂珠二元固相水泥浆体系和NC二元固相水泥浆体系的性能进行对比。研究结果表明:该三元体系水泥石的抗压强度、抗折强度和二界面胶结强度相比于漂珠二元体系和NC二元体系分别提高了7%~21.1%、13.4%~51.9%和41.4%~122.2%。三元体系的固井水泥石在垂向上的最大密度差为0.022 g/cm^(3)。基于DFE设计的三元体系具有良好的流变性、稳定性和力学性能。DFE对于多元固井水泥浆体系的设计和应用具有一定的指导意义,在保证低密度的前提下能够有效地提高固井水泥石的早期强度和综合性能。     

煤矿灰岩层水平井注浆技术研究

通过煤矿底板灰岩含水层水平井注浆加固治理，可较好地解决煤矿底板防治水难题。为了提高水平井注浆加固灰岩含水层的效果，以界沟煤矿东一下采区水平井为研究对象，根据灰岩含水层渗透性特征，确定了扩散半径、浆液类型及配比。结合水平孔钻进情况，运用破壁和清水洗井技术，进行压水试验和静压升压注浆加固治理；确定了注浆压力、终止流量、注浆数量；在注浆顺序、装备选型、水平注浆、效果验证等关键技术进行了研究应用。结果表明，治理区采用扩散半径27 m，灰岩采用水泥浆单浆液；清除泥皮，清水洗井，选配高速制浆和智能化注浆装备，进行孔口分段式注浆，递增升压至10 MPa，注浆量提升至0.8 t/m，有效提升加固治理效果。     

高强度低黏度注浆材料配比试验研究

为满足微裂隙岩体注浆加固要求,需研究一种强度高、黏度低的高性能注浆材料。选用超细水泥、硅粉、超细粉煤灰、聚羧酸系减水剂为原料,结合单因素试验和正交试验,对浆液进行改性。试验结果表明：在水泥中掺加4%～12%的硅粉,浆液的结石体强度可以提高8%～34%|用超细粉煤灰替代一定量的水泥,可以降低浆液的黏度,当粉煤灰替代量超过20%后,浆液黏度不再降低,达到作用极限值|聚羧酸系减水剂对于降低水泥浆液的黏度有着显著效果,掺加0.1%～0.5%的减水剂,浆液的黏度可以降低25%～90.6%,减水剂掺量越高,浆液析水率越大,浆液越不稳定|当水灰比为0.8、硅粉掺量为10%、粉煤灰代替量为20%、减水剂掺量为0.3%时配置的浆液性能最优,新型浆液结石体28d抗压强度为22.98MPa,比纯水泥浆液结石体的抗压强度提高13.6%,黏度为21.83s,比纯水泥浆液黏度降低89%。     

基于“两介质-三界面”模型的散煤注浆固结宏细观规律

为了预判水泥浆注浆加固淮北矿区松散煤层效果，提供合理注浆参数，确保松散破碎围岩体注浆加固后稳定，文章基于离散元思想，将散煤和水泥视为颗粒，结合散煤-水泥浆胶结体单轴压缩试验和颗粒流模拟软件，研究散煤注浆加固效果，从宏-细观角度揭示散煤水泥浆注浆加固规律。文章构建了散煤-水泥"两介质-三界面"模型；校核了散煤-水泥浆胶结体三界面细观力学参数，分析了颗粒配比和胶结体孔隙率对散煤注浆加固效果的影响规律。研究结果表明："两介质-三界面"模型包括散煤颗粒、水泥颗粒，散煤颗粒之间胶结界面、水泥颗粒之间的胶结界面和散煤与水泥颗粒之间的胶结界面，模型不仅能够模拟常规岩体力学实验，还能够进行胶结参数影响特性研究，适用于散体介质注浆加固效果预判；散煤-水泥浆胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着散煤与水泥颗粒配比γ增加先增大后减小，存在最佳配比，散煤含量增加的过程分为初期骨料强化和后期胶结弱化两个阶段；胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着孔隙率n增加而加速减小，粒径越小、充填程度越高的注浆材料，加固效果越好。在现场注浆设计施工过程中，根据现场围岩破碎程度，优选粒径小、可注性好的浆液，能够获得较好的注浆加固效果。     

铁路隧道深竖井井筒防治水设计及施工技术

高黎贡山隧道2号竖井所在区域工程地质及水文地质条件异常复杂,施工中需穿越10条挤压破碎带及14条构造破碎带,井检孔揭露竖井开挖范围内分布有7层含水层。为保障井筒安全掘砌,采用煤矿井筒建设使用的地面预注浆技术治理水患。设计“S”形定向深孔注浆孔,注浆治理段高340 m,注浆材料选用堵水性能好的黏土水泥浆。注浆结束后,压水试验预测主、副井筒剩余涌水量较注浆前分别下降99.8%和99.7%,堵水质量优异。     

破损水文观测孔涌水封堵技术在高河矿的应用

针对高河矿奥灰水文观测孔空水管锈蚀断裂漏水严重的问题,分析了存在的问题,制定了钻孔涌水封堵技术方案及相应的注浆施工工艺,并进行了为期7天的井下试验。封堵注浆压力达到6 MPa,使用注浆水泥50 t,水泥浆液凝固良好,注浆阀门打开后无出水现象。