煤岩体裂隙网络注浆的计算机模拟

为了使浆液在煤岩体裂隙网络中的流动更加直观,首先引入应力强度因子探讨了压剪和拉剪2种状态下,裂隙尖端的断裂准则、裂隙扩展方向和扩展长度,并分析了浆液在单一裂隙内部的流动扩散规律。在此基础上,利用FORTRAN语言编制了浆液在非贯通裂隙网络内部的流动扩散程序。以某煤矿注浆工程为例,采用该程序模拟了不同注浆压力下浆液在裂隙网络中的扩散范围。模拟结果显示：浆液的扩散极具不均衡性,注浆压力越大,裂隙尖端越容易劈裂,裂隙扩展越长,一定注浆压力下,次生裂隙与其他裂隙沟通后浆液继续流动。当注浆压力为4.0 MPa时,由多孔介质理论计算,本程序模拟与现场探测结果对比分析可知,模拟结果与现场注浆实际符合良好。     

三软煤层巷道掘进防漏顶预注浆液扩散规律研究

针对三软煤层巷道围岩强度低和随掘随冒现象严重的问题,采用掘进工作面预注浆治理顶板冒落,根据达西定律和渗透注浆理论关于既定浆液在煤体中的扩散规律,试验测得赵家寨矿煤体的渗透系数、孔隙率和浆液的流体力学参数。以此参数为基础,通过数值模拟试验揭示了注浆孔周边孔隙压力分布与饱和度变化规律,分析了掘进工作面不同应力状态对浆液扩散的影响,对比了不同注浆压力下孔隙压力和饱和度分布曲线,发现应力状态对浆液最大扩散半径影响较小,提高注浆压力能在一定时间段内提高注浆效率,但并不能显著提高浆液扩散半径。综合理论计算和数值模拟结果,确定注浆量0.06 m~3/min,注浆压力为2.5 MPa,与数值模拟计算结果较接近,因此扩散半径确定为1.4 m,并将该结果运用于赵家寨矿掘进巷道施工现场,通过钻孔取心检查注浆效果,发现浆液扩散与预期结果吻合良好。     

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。     

裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究

研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究,结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。     

煤层注浆压裂裂隙形成规律数值模拟北大核心

为了更深入了解矿井煤层在不同围压下注浆压裂的裂隙产生规律,通过RFPA-flow软件建立二维应力应变模型,模拟了煤层在不同的围压下注浆过程中裂隙萌生、扩展直至模型失稳的全过程。结果表明:煤层在注浆压裂过程中,围压的改变直接影响到煤体的初始破裂压力和失稳压力,且他们之间呈正相关关系;随着围压的增加,注浆孔周围的应力集中,裂隙产生变得更加困难,浆液的流动也随之变得困难,注浆效果不明显。     

煤层注浆压裂裂隙形成规律数值模拟

为了更深入了解矿井煤层在不同围压下注浆压裂的裂隙产生规律,通过RFPA-flow软件建立二维应力应变模型,模拟了煤层在不同的围压下注浆过程中裂隙萌生、扩展直至模型失稳的全过程。结果表明:煤层在注浆压裂过程中,围压的改变直接影响到煤体的初始破裂压力和失稳压力,且他们之间呈正相关关系;随着围压的增加,注浆孔周围的应力集中,裂隙产生变得更加困难,浆液的流动也随之变得困难,注浆效果不明显。     

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。     

劈裂注浆加固技术及研究进展

作为不良地质体的有效加固手段,劈裂注浆技术目前已在土木、水利和矿业等工程中发挥着重要作用。针对劈裂注浆技术研究取得的许多创新性的成果,笔者对这些最新研究进展进行阐释与述评。分析了劈裂注浆的发展过程及扩散半径计算方式,然后基于弹塑性力学的基本原理,对裂隙岩体的劈裂注浆力学机制、考虑荷载非对称作用下劈裂注浆压力的计算方式、脉动注浆浆液扩散规律及劈裂注浆加固效果等进行了总结,从试验层面对劈裂缝产生及分布规律、"浆-土"耦合效应对劈裂注浆规律的影响和土石分层介质劈裂注浆效果的差异等创新研究成果进行了阐释,最后结合离散元和有限元数值计算对劈裂扩展动态进行了进一步揭示。劈裂注浆理论和试验研究一系列创新成果的取得,必将推动劈裂注浆技术向着精细化管理和精细化质量水平方向迈进。     

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。     

千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践

高压劈裂注浆改性技术通过注浆改性方法可提高围岩自承能力,是巷道围岩"支护-改性-卸压"协同控制技术的重要一环。针对口孜东矿121302运输巷锚杆支护效果差,常规注浆方法无法注入巷道围岩等难题,开展了千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研究与实践。开发高压劈裂注浆工艺,研制高压劈裂注浆装备,试制的矿用气动注浆泵最大工作压力超过30 MPa,采用微纳米无机有机复合改性材料,经过超细加工,95%的粒径≤9μm,在121302运输巷掘进工作面进行高压注浆改性试验,对注浆压力-流量变化规律、注浆量、浆液扩散半径等参数统计分析,对注浆改性后的效果进行了测试评价。试验结果表明:注浆压力与注浆流量是劈裂注浆的主控因素;掘进工作面超前注浆平均启劈压力在22 MPa左右;滞后掘进工作面6～8 m注浆,适当降低排量,注浆过程进入高压微劈裂-渗透注浆阶段,增强注浆效果。高压劈裂注浆改性工艺解决了高应力低渗透软岩"注不进"的难题,保证锚杆索锚固质量,改善新掘巷道成型。巷道围岩改性效果理想:现场取样SEM扫描电镜细观形貌分析可发现,高压劈裂注浆工艺下,新型微纳米有机无机复合改性材料可注入最小约2μm宽度的裂隙;浆液水化固结体密实并与煤界面结合致密;纳米压痕试验证明煤浆界面区弹性模量高于煤,致裂重新黏合后的煤体力学性能强于之前。     

煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律

大规模高强度回采和深部开采常导致顶部裂隙煤岩体失稳、漏风及其次生灾害。钻孔注浆是封堵裂隙和加固煤岩体的主要手段之一。由于煤岩裂隙高位注浆研究相对滞后,井下高位注浆施工设计缺少足够的依据。为探究煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律,以任意倾斜有限边界的光滑平板裂隙和宾汉流体为研究对象,建立裂隙高位注浆扩散数学模型并进行数值模拟求解,分析不同裂隙倾角和注浆速率下浆液在裂隙流动过程中的扩散锋面、流量分配及压力场变化规律;在此基础上,建立浆液高位流动数学模型,并推导恒定注浆速率工况下的解析解。研究结果表明：根据扩散锋面的演变规律,浆液流动过程可分为自由扩散阶段、过渡阶段和受限堆积阶段3个阶段。裂隙倾角对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐减小,注浆流速对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐增大。过大的裂隙倾角加大了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变,而过大的注浆速率减缓了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变。注浆速率和裂隙倾角的增大均会导致注浆压力增加,且在浆液进入受限堆积阶段后注浆压力发生突变。以高位流动扩散形态的等效圆半径临界状态为界,高位流动可划分为扩散阶段与堆积阶段,不同阶段...     

煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律

大规模高强度回采和深部开采常导致顶部裂隙煤岩体失稳、漏风及其次生灾害。钻孔注浆是封堵裂隙和加固煤岩体的主要手段之一。由于煤岩裂隙高位注浆研究相对滞后,井下高位注浆施工设计缺少足够的依据。为探究煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律,以任意倾斜有限边界的光滑平板裂隙和宾汉流体为研究对象,建立裂隙高位注浆扩散数学模型并进行数值模拟求解,分析不同裂隙倾角和注浆速率下浆液在裂隙流动过程中的扩散锋面、流量分配及压力场变化规律;在此基础上,建立浆液高位流动数学模型,并推导恒定注浆速率工况下的解析解。研究结果表明：根据扩散锋面的演变规律,浆液流动过程可分为自由扩散阶段、过渡阶段和受限堆积阶段3个阶段。裂隙倾角对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐减小,注浆流速对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐增大。过大的裂隙倾角加大了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变,而过大的注浆速率减缓了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变。注浆速率和裂隙倾角的增大均会导致注浆压力增加,且在浆液进入受限堆积阶段后注浆压力发生突变。以高位流动扩散形态的等效圆半径临界状态为界,高位流动可划分为扩散阶段与堆积阶段,不同阶段...     

奥灰顶部含水层注浆改造浆液扩散主要影响因素试验研究

为探究浆液黏度、溶蚀裂隙及岩溶孔洞对注浆改造过程中浆液在奥陶系顶部灰岩裂隙含水层中扩散、充填影响规律,自行研制一套可考虑裂隙分布、动承压水和注浆工艺因素的裂隙岩体动水注浆改造模型实验台。利用该装置模拟了3种黏度浆液在4类含岩溶裂隙、孔洞分布条件下的承压含水层中的扩散过程,总结了浆液扩散及充填规律;结合数值计算得到了11组注浆实验充填过程中应力分布及变化规律;最后通过超声波探测,分析了不同条件下浆液改造后岩体弹模变化规律。结果表明:(1)均布裂隙中浆液扩散形态接近"∩"形,考虑不同条件作用后的浆液扩散形态呈现出非标准圆弧形;含有岩溶优势裂隙的浆液扩散形态呈现"Λ"形,裂隙开度越大,"Λ"形顶角越小;含岩溶孔洞的裂隙区浆液扩散形态出现"M"形,存在"︹"形的过渡形态。(2)注浆改造后的裂隙岩体具有分区特性,可将其分为完全充填(FF)、部分充填(PF)、裂隙二次发育(DeF)和原岩裂隙(OF)4个区域;极差结果显示裂隙开度对S_FF影响最大,浆液黏度对S_PF影响最大;(3)溶蚀裂隙和岩溶孔洞经注浆改造后弹性模量明显增强,裂隙中的浆液压力分布呈现非线性...     

煤体裂隙非均质分布对注浆渗透扩散规律的影响分析

注浆改性加固技术是改进裂隙煤岩稳定性的一种有效方式,探究并查明裂隙煤体浆液渗透扩散规律对于优化设计注浆参数具有重要意义。传统注浆渗透扩散模型未考虑煤体中裂隙非均质分布的影响,导致前期模拟计算结果与现场实际取得数据有较大误差。基于山西经坊煤业3-边角091运输大巷巷道迎采送掘工程,提出了基于数字照相与数字图像处理技术的煤体裂隙率识别方法,建立了基于Weibull分布的裂隙非均质性表征模型,利用多物理场耦合软件COMSOL建立了裂隙非均质分布的浆液渗透扩散数值计算模型,研究了平均裂隙率、裂隙分布均质性指数等参数对浆液扩散距离、浆液压力分布的影响规律,结果表明：平均裂隙率越高、裂隙分布均质性指数越大时,浆液压力越大,浆液渗透扩散速率越快,但当裂隙分布均质性指数达到一定程度后,模型中裂隙率分布趋近均匀,对浆液渗透扩散距离影响较小。与传统均质性模型相比,非均质模型的预测浆液渗透扩散距离减小了16.9%,与实际工程中不均匀渗透扩散规律相符,对于指导裂隙煤体注浆设计具有一定的参考意义。     

基于浆-岩耦合效应的单裂隙注浆扩散规律研究

为研究幂律流体浆液在裂隙内的扩散规律,对岩体裂隙一些基本假设进行简化,建立水平单裂隙注浆理论模型;基于本构方程和运动方程,推导出幂律流体浆液扩散方程;运用数值模拟软件,基于“浆-岩耦合效应”建立水平单裂隙注浆模型;基于单一变量原则建立不同工况,研究了各注浆参数对浆液扩散和裂隙变形的影响,并将数值模拟结果与数学计算结果进行对比,两者浆液压力损失随扩散距离的变化趋势基本一致。研究表明：幂律流体浆液压力损失与流变系数和浆液流速成正比,与裂隙开度成反比;裂隙变形量与裂隙开度和浆液流速均成正比。     

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。     

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.     

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。     

岩体粗糙裂隙中浆液扩散规律研究

基于分数布朗运动,采用随机中点位移法生成粗糙裂隙面,通过COMSOL软件建立岩体粗糙裂隙注浆数值模型,分析了浆液黏度及裂隙面粗糙度对浆液扩散的影响。结果表明：粗糙裂隙中浆液流场与光滑裂隙截然不同,浆液扩散速度在过流断面缩小区域,流速增大,过流断面增大区域,流速减小;裂隙粗糙度越大,低流速区域越大;裂隙面越粗糙,浆液压力越大,压力场非线性程度越强,相应的粗糙与光滑裂隙中浆液压力间的差值越大;浆液压力差随着浆液动力黏度的增加而增大,浆液黏度越大,裂隙粗糙度对浆液压力的影响越显著。     

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。