过水大断面截流堵巷工程若干关键技术问题的探讨

在过水巷道中灌注骨料建造阻水墙是实现突水矿井水害治理的重要手段,阻水墙建造的关键技术问题长期以来缺乏理论技术支撑。从骨料灌注期间的水力学状态、堆积体的"生长-接顶"机制、截流施工参数、墙体受力特征、建造技术综合优化等方面进行了研究和探讨,结果表明:(1)截流过程可分为4个阶段,即骨料灌注前的施工准备阶段、铺底-充填阶段、骨料接顶阶段、注浆加固阶段,结合固液两相流数值模型验证了截流期间流量在时空上的动态分布效应。(2)灌注期间骨料运移受流场作用存在筛选效应,堆积形态与流速密切相关,当骨料灌注过程与流速总体匹配时堆积高度和长度可同步增长并向上游逆向接顶直至成功截流,如果水流流速过低则会提前接顶并在孔间留下空腔。(3)巷道倾角越大骨料向上山方向的起动流速越大,向下山方向越小,且下山中灌注时堆积长度更大、高度更低,不利于成本和工期的控制。(4)从能量守恒、渗流突破、浆液初凝时效3个角度提出了骨料堆积长度的估算方法,分析了不同预测方法的适用性,指出巷道倾角、分支巷、冲刷效应对骨料灌注量的影响。模拟得出5 MPa上游水压对阻水墙的最大应力影响范围不超过50 m,表明注浆加固重点区域是上游距来水端较...     

过水巷道动水快速截流机理研究

保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决传统过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题,实现快速抢险救援和恢复生产的目的.为了进一步研究阻水墙快速建造机制,采用典型工程案例分析和基于过水巷道动水快速截流大型模拟试验平台的物理模拟试验,对保浆袋囊钻孔控制注浆快速截流机理进行研究.结果表明:保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流的主控因素为动水压力、动水流量和巷道围岩力学强度,其中单纯的投放保浆袋囊+补充注浆的动水截流模式,仅适用于动水压力低、动水流量小和巷道围岩力学强度高的突水截流环境,其快速截流机理是保浆袋囊能够使得袋囊之间的水流流速较小,水泥-水玻璃双液浆在扩散凝结过程中不易被动水袭夺,致使双液浆凝胶体可以在袋囊之间控制运移扩散,并快速与巷道顶板堆积接顶,有利于截流巷道中阻水墙的快速建造.而投放保浆袋囊+灌注骨料+补充注浆的动水截流模式,可适用于动水压力高、动水流量大和巷道围岩力学强度低的突水截流环境,其快速截流机理是保浆袋囊首先能够提前完成部分骨料铺底和充填阶段;其次是保浆袋囊残余过水断面处的高速水流环境能够使得骨料灌注过程中携带进入巷内的空气快速排出巷外,减少骨料灌注过程中的堵孔次数,同时加快骨料灌注速率;最后是由保浆袋囊和骨料组成的骨料接顶阻水体具有高阻弱渗的阻水性能,其中,高阻特点可使阻水体抵抗更高的动水压力,减少骨料灌注期间堵孔阻水段快速升压导致发生阻水体频繁突破再造的次数,低渗特点可为阻水段后期补充注浆浆液快速凝结创造有利的条件.     

突水淹没矿井动水巷道截流阻水墙建造技术研究

在突水巷道中通过灌注骨料实现截流堵水的过程涉及多个力学演化阶段,实践中为了快速复矿需更重视堵水效果,阻水墙建造的关键技术问题研究很少受到关注。结合以往工程案例的堵水过程数据,分析了从骨料灌注到注浆截流的水力学模型,提出了阻水墙建造的关键技术参数设定方法,研究了阻水墙内部应力分布状态及破坏机理。研究表明:(1)阻水墙建造可分为4个阶段的水力学模型,即突水稳定阶段的管道流模型、骨料灌注阶段的管道流-低速渗流模型、骨料接顶阶段的高速渗流-低速渗流模型、注浆截流阶段的低速渗流模型;(2)动水中骨料堆积形态是水平和垂向两个维度共同生长的结果,堆积过程与流场存在动态平衡关系;(3)考虑压差、巷道阻力、堆积段阻力、浆液初凝时间4个要素,提出了堆积段长度估算模型,建立了不同灌注阶段巷顶流速的预测方法和骨料粒径选择方法;(4)注浆后阻水墙的最大剪应力发生在距来水方向较近的位置,相较堆积段全部长度,受力影响范围仅为其很小一部分;水压力越大,剪力和轴力越大,但分布状态、影响范围及峰值位置均不变;围岩与墙体弹性模量比越大,阻水体剪应力分布越集中,峰值剪应力越靠近来水方向;当剪应力最大位置首先达到抗剪强度后,剪应力将向下游产生塑性变形直至形成新的平衡状态,否则失稳破坏。     

矿井大流量动水注浆细骨料截流技术

以桑树坪煤矿为例,研究了细骨料在矿井大流量动水注浆中的应用,总结了以往矿井动水注浆中使用的截流材料,阐述了桑树坪煤矿突水和堵水工程的过程,分析了骨料截流的机理和细骨料在动水截流中的可能性,论述了采用细骨料砂子进行截流的工艺和方法,研究了桑树坪矿动水截流的条件。实践表明,在突水量达8000m3/h的矿井大流量动水截流中,只使用细骨料而不使用粗骨料也能完成截流任务;桑树坪煤矿堵水中砂子能成功截流与动水压力小及过水面积大有关。     

尾矿库漫顶溃坝模型试验研究

根据洪水计算结果、调洪库容和排洪设施泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验备件,选取洪水频率,确定洪水过程线,再换算成模型试验来水流量-时间曲线。将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,试验模型遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件。以国内某尾矿库为工程背景,建立试验模型进行溃坝试验研究,分析溃决过程和溃坝机理。尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由"水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀"和"溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展"组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。     

集中突(过)水巷道阻水墙综合建造技术

煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其位置不明确的情况下,利用独头突(过)水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆截流建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。系统地介绍了在动水条件下集中突(过)水巷道阻水墙的综合建造技术和工艺。     

连续降雨下尾矿库失稳溃坝数学模型研究与应用

针对连续降雨导致的尾矿库失稳溃决,基于饱和-非饱和渗流理论和水砂混合物非平衡连续方程和动量方程,建立了一个尾矿库边坡失稳溃坝数学模型。该模型可考虑连续降雨条件下尾矿库的渗流场和应力场变化、溃口和底床变化对溃坝下泄物流量过程影响。应用该模型对某尾矿库进行了连续降雨条件下失稳溃坝过程的模拟分析,计算结果表明：连续降雨入渗使尾矿库浸润线不断抬升,进而导致尾矿库边坡发生失稳,失稳后坝体受力条件急剧恶化,在上游荷载作用下发生剪切破坏导致漫顶溃决。     

基于Flow-3D尾矿库漫顶溃坝过程数值模拟

尾矿库是一个具有高势能的危险源,一旦发生溃坝,将对下游居民的生命财产造成严重威胁。为了提高尾矿库溃坝灾害预测与应急保障能力,本文以某尾矿库为工程背景,开展尾矿库溃坝的室内模型实验,并结合Flow-3D数值仿真技术对尾矿库漫顶溃坝后尾砂流的演进过程进行深入研究。将室内模型实验和数值模拟结果相互对比,溃坝过程基本吻合,验证了较小缩比尺模型实验的准确性以及数值模拟的可靠性。数值模拟研究结果表明：溃水的淹没高度和断面流量随溃坝时间的变化整体表现为前期快速增长及后期的较缓下降, 且随着演进距离的增加, 淹没高度和断面流量峰值都明显降低;下游地形影响溃坝尾砂流的流速和演进方向,溃坝尾砂流在下游弯道处出现“爬高”现象,弯道两岸淹没高度不同,弯道凹岸淹没高度高于另一侧;沟谷与河道的连接处,溃水向河道上下游两边扩散,在河道入口处形成“冲积扇”堵塞河道。     

尾矿库洪水漫顶溃坝实验研究及数据分析

尾矿库是我国安全监管工作的重点内容之一,因其位置的特殊性,极易引发重特大事故。在加强尾矿库日常安全监管、降低事故隐患的基础上,建立漫顶溃坝试验模型研究坝体溃坝的演化过程、下泄流量及冲击距离,对加强下游库区安全管理、降低事故后果严重程度具有重要意义。本文基于相似理论建立了尾矿库漫顶溃坝物理模型,深入研究尾矿库漫顶溃坝过程中演化规律、冲击速度及下泄流体过泥深度等内容,并将实验结果与尾矿库溃坝计算模型结果进行对比,对比验证了物理模型实验数据的适用性、准确性,实验结果可为洪水期尾矿库的安全管理尤其是库区下游的治理工作提供理论和技术支撑。     

动水大通道突水灾害治理关键技术

针对动水大通道及地面无法施工直孔的治理技术难题,以潘二煤矿特大隐伏陷落柱突水灾害快速治理工程为例,在分析突水水文地质条件的基础上,提出了采用定向分支斜钻孔同时对过水巷道截流和突水通道堵源的治理方案。根据以往直孔堵水经验,确立了水力射流骨料灌注工艺和分序分段高压注浆工艺,并给出了骨料灌注关键技术和高压注浆结束标准。根据钻探注浆特征分析,结合淮南矿区陷落柱发育基本条件,推测了导水通道形态特征。注浆堵水结果表明:突水点残余涌水量为0,奥灰水位恢复良好,堵水率100%;堵源分支钻孔单位吸水率均小于0.1 Lu,堵源效果良好,彻底切断了奥灰水与突水点之间的水力联系。     

四位一体法封堵千米埋深微型隐伏导水陷落柱技术

九龙矿15423N工作面在回采过程中发生采空区滞后底板突水,依据采前所进行的水文地质工作以及该面发生突水后的特点,研究制定了治理突水方案,经治理钻探探测资料证实:该面煤层底板下发育的隐伏微型强导水陷落柱,是导致该面发生突水的主要原因,分析研究了陷落柱大埋深、大流量、高承压的特点,研究制定了骨料灌注、骨料胶结、通道截流、水源加固四位一体法堵源封顶截流的综合治理陷落柱技术,快速高效地根治了陷落柱水害,消除了水患。     

动水条件下煤层底板突水地面注浆堵水工艺

针对华北型煤田底板突水的高压、高温、采深大、治理难度大等特点,根据注浆原理和工程实践提出"将动水转化为静水"的治理理念,建立了系统的动水地面注浆工艺体系,将注浆分为3个阶段:钻探阶段、巷道封堵阶段、注浆阶段,实现了截流堵源、截堵结合,达到注浆堵水的目的。结合具体实际工程,对该工艺进行了介绍,实践表明,该工艺堵水效果良好。     

尾矿坝漫顶溃坝机理及过程研究

准确理解尾矿坝漫顶溃坝的发展过程是模拟大坝溃口形状演变和计算溃坝下泄流量的基础。但于缺乏准确、完整的溃坝实例数据,对溃坝的发展机理理解不透彻,因而无法准确描述溃坝侵蚀的发展过程,对溃坝的研究仍处于半理论、半经验状态。为此,利用剪切应力（或牵引应力）理论和“陡坎”冲刷模型,研究了漫顶以后坝面侵蚀和漫顶溃坝机理,并在研究和分析土石坝漫顶溃坝破坏过程的基础上,结合尾矿坝自身特点以及相关理论,提出了尾矿坝漫顶溃坝破坏过程。     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

井下水害治理中的注骨料、注浆工艺

介绍东庞矿突水后针对突水巷道为一独头巷道的有利条件，充分利用由“动水”向“静水”转变的这一有利时机，经钻孔由地面向巷道灌注骨料、水泥浆的施工工艺及施工管理。     

过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统研制

煤矿突水灾害抢险救援期间,保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决常规过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题。为了进一步研究过水巷道动水快速截流机理并为抢险救援提供实验技术支撑,建立了过水巷道动水截流的水力学模型,结合对保浆袋囊控制注浆动水快速截流成功案例的分析,设计了过水巷道动水快速截流概念模型,开发了过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统。实验系统包括4个功能系统和6个设备系统,其中4个功能系统分别为保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统,6个设备系统分别为大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统。通过实验舱强度验算、稳压稳流系统监测实验和抛袋实验,结果表明实验系统能够形成恒定的动水压力和动水流量初始条件、动态变化的动水压差和流量衰减边界条件,满足动水快速截流堵水环境要求,可以用于5 m宽、4 m高、动水流量2 000 m³/h的过水巷道在不同矿井淹没水位、不同突水水源水位条件下的快速截流模拟实验,其中突水水源水位最高可达5 MPa。抛袋实验结果还表明保浆袋囊在...     

浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架灾害的问题,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,获得了系统失稳的充要条件及直接顶岩体的变形突跳量表达式,分析了系统失稳的主要影响因素。结果表明:直接顶的失稳破坏,导致了顶板的切落,系统失稳除与支架和直接顶岩体的刚度比及材料参数有关外,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,并给出了工程建议。     

复杂地质条件下大采高综采工作面过空巷技术

以阳煤一矿S8303大采高工作面过空巷为工程背景,建立了空巷上方基本顶破坏的力学模型,得出了工作面基本顶在空巷位置发生断裂失稳的临界支护强度,借助FLAC~(3D)数值分析软件,对高水材料充填后的空巷受采动过程进行了验证。     

水闸墙在高承压松软煤巷特大突水治理中的应用

依据黄沙矿112124掘进工作面突水治理工程,所进行的大量工程水文地质资料,对该工程的难点以及面临的技术难题,进行了应用研究和实践。由于煤层软、强度低、突水水压高,突水巷道几次实现截流后,骨料帷幕墙被反复突破。依现场实际水文资料,分析确定了突水巷道煤层的极限承受强度,合理确定了水闸墙承受的压力,通过水闸墙分压减流作用,降低了突水煤巷骨料帷幕墙与煤层所承受的压力,在高承压松软煤巷高承压特大突水封堵中,实现突水巷道成功截流,通过注浆加固骨料帷幕墙,并采取其他措施,快速高效治理了这次特大突水。     

主关键层结构稳定性对导水裂隙演化的影响研究

针对部分矿区采动导水裂隙异常发育的问题，采用模拟实验和工程探测的方法，就主关键层结构稳定性对顶板导水裂隙演化和含水层水位的影响进行了深入研究。结果表明：当主关键层与煤层间距小于7~10倍采高时，顶板导水裂隙会发育至基岩顶界面，但主关键层上部的导水裂隙会随主关键层结构稳定性的变化呈现出两种不同的演化形态。当主关键层结构稳定运动时，主关键层上部导水裂隙经历“产生-发育-闭合”的过程；当主关键层结构滑落失稳时，主关键层上部导水裂隙形成后难以随采动闭合消失。现场工程探测结果验证了上述主关键层结构稳定性对导水裂隙演化的影响规律。提出了采用高阻力支架来控制主关键层结构不发生滑落失稳的措施，使导水裂隙可以随采动逐步闭合，含水层水位逐渐恢复，进而实现保水采煤的目标。