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。     

构造裂隙大水矿床帷幕注浆工程试验及参数研究

构造裂隙大水矿床含水介质复杂多变,基建难度大,突水风险高,防治水技术难度大。借鉴岩溶大水矿床治水经验,设计采用矿山地面帷幕注浆技术,解决黄屯硫铁矿火山岩构造裂隙大水矿床地下水害。通过帷幕注浆生产性试验,从注浆前后帷幕体透水性、检查孔压水试验、注浆前后钻孔岩芯揭露情况分析,证明火山岩裂隙地层高压灌注水泥黏土浆后,大的构造导水通道及微细裂隙都能被浆液有效充填,注浆堵水效果显著,该方法可为同类矿床防治水工作借鉴。     

化学注浆条件下裂隙灰岩渗流特性的试验

为研究化学注浆条件下裂隙灰岩渗流特性,在MTS815多功能岩石试验机上进行裂隙灰岩和裂隙灰岩注浆体的瞬态渗流试验.对比试验结果发现注入化学浆液的裂隙灰岩渗透率明显比未注浆裂隙灰岩渗透率低,即裂隙灰岩注浆体的渗流时间更长.另一方面化学浆液配比也对渗流时间有一定的影响,进一步分析化学配比对裂隙灰岩注浆体的渗流特性的影响,发现主要体现在草酸含量上,注入浆液中的草酸含量越低,裂隙灰岩注浆体的渗透性越差.最后对注浆后M1,M2,M3试件中草酸含量和渗透率试验数据进行拟合,发现草酸含量-渗透率之间呈现指数函数关系.     

微生物诱导碳酸钙沉淀填充裂隙岩体渗流规律试验研究

利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)填充裂隙岩体,采用自主研发的三轴压缩渗流试验装置,进行了不同裂隙宽度、充填率、围压条件下MICP充填裂隙岩体渗流试验,同时测量岩体横波波速。研究结果表明:MICP充填裂隙岩体试样渗透系数受裂隙宽度的影响,也受填充率影响。不同宽度的MICP充填裂隙岩体渗透系数随围压升高呈下降趋势,最高可下降58.03%;当围压较小时,渗透系数下降较快,随着围压增大,渗透系数下降速度逐渐减慢;同一岩性MICP充填裂隙岩体渗透系数随波速增加而减小。MICP充填裂隙岩体渗透系数计算公式可拟合为自然对数横波波速与负指数围压之和形式。研究结果对于MICP充填技术在裂隙岩体注浆应用具有重要意义。     

裂隙弱面注浆加固后的抗剪切特性及破坏特征

基于天然岩体内原生裂隙易造成工程围岩失稳的背景,采用自制砂浆体裂隙弱面模拟均质性较好岩体内部裂隙弱面,并以注浆加固后的裂隙弱面为研究对象,开展其抗剪切特性和破坏特征的研究。研究结果表明：法向压应力增大时提升了裂隙弱面滑动的阻力,导致注浆加固后的裂隙弱面抗剪切能力增强,表现为抗剪切强度增大；注浆材料强度、材料粘黏力的增大也可促使裂隙弱面的抗剪切能力增强,其增长趋势不受砂浆体强度和法向压应力大小的影响,但会受注浆材料粘黏力的影响；注浆加固后裂隙弱面受剪切力作用时,剪切破坏面多出现在弱面的两侧,且常以弱面滑移破坏、注浆体破断、砂浆体剪切断裂的形式存在,其中注浆体破断是材料内部晶体错动断裂的宏观表现。研究结果不仅为改善岩体内部裂隙弱面注浆加固工艺提供了一定的理论参考,也为注浆材料的研发提供了思路。     

基于RFPA~(2D)-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建,而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素,基于C语言程序,考虑不同迹长、密度的概率分布,通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙,然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA~(2D)-Flow,形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算,得到不同工况下的渗透张量,结合类张量特性和类常量特性判定依据,确定渗流表征单元体,并自定义渗透特性各向异性系数,研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大,但对渗透主方向几乎无影响,随密度或者迹长的增大,裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;②在一定范围内,随着裂隙密度或迹长的增大,裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小,随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上,以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例,根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数,利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算,确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸,并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正,修正系数在一个数量级之内,说明本文模拟计算结果与实测结果相近。     

砾岩含水层帷幕浆液运移规律与改性效果分析

注浆帷幕截流是深部矿井水害治理的主要技术手段之一,针对淮北矿区朱仙庄煤矿8号煤层水害防治问题,采用CT扫描与室内试验测试得到受注砾岩孔裂隙分布及岩石力学特征,利用COMSOL Multiphysics软件建立了受注砾岩层的孔隙介质与孔隙-单裂隙介质2种数值模型,分析了帷幕墙注浆截流效果。研究结果表明:浆液在孔隙介质中的运移范围随注浆时间的增加而增大,浆液运移稳定后的扩散范围为10.12～10.44 m;孔隙-单裂隙介质数值模型中,浆液运移形态沿裂隙方向对称,浆液运移优先进入裂隙通道,随后沿裂隙方向扩散至孔隙介质中,随注浆时间的增加,浆液运移范围逐渐增大并最终趋于稳定,孔隙-单裂隙介质中浆液的纵向扩散范围为10.05～10.23 m,横向扩散范围为16.30～16.98 m;根据数值计算结果,提出了注浆孔间距为20 m、两排注浆孔交错布置、有效宽度约为40 m的帷幕截流方案。最后,通过注浆前后砾岩物理力学性质对比分析与现场放水试验的方法,验证了帷幕墙截流效果良好、注浆孔间距布置合理。     

砂层渗透注浆加固效果模型试验研究

渗透注浆是煤矿井筒穿越砂层段防渗加固的重要手段之一,为研究砂层渗透注浆加固效果,研发了一套砂层渗透注浆模型试验装置,该装置具备多个试样同时注浆、不拆模测试注浆试样渗透系数等功能;以抗压强度、变形模量、渗透系数作为评价砂层渗透注浆加固效果的性能指标,选取砂层粒径级配、黏性土含量、浆液水灰比、注浆压力4个因素作为渗透注浆效果的影响因素,开展了砂层渗透注浆加固效果正交试验,获得了影响砂层渗透注浆效果的主控因素以及不同条件下砂层注浆加固体的变形破坏特征。研究结果表明:砂层经渗透注浆加固后,3 d抗压强度可达到0.5~8.5 MPa,3 d变形模量可达到35~750 MPa,1 d渗透系数可达到10-6~10-7 cm/s数量级;浆液水灰比是控制砂层注浆加固效果的主控因素,随着浆液水灰比的增加,砂层注浆加固体抗压强度、变形模量及抗渗性能均显著降低;砂层注浆加固体破坏模式受浆液水灰比影响显著,低水灰比(W/C=0.8左右)对应整体破坏模式,高水灰比时(W/C=1.6左右)水泥浆液析水效应对加固体破坏过程产生影响,使其呈现出局部破坏模式,在砂层渗透注浆加固工程中应尽可能选用低水灰比的水泥浆液。     

穿层钻孔帷幕注浆一体化技术的实践研究

车集煤矿底抽巷经过多轮瓦斯抽采穿层钻孔后,巷道围岩产生了较多的裂隙,导致钻孔封堵不严密,影响瓦斯抽采效果。针对此问题,选择帷幕注浆技术对巷道进行加固。首先,通过COMSOL Multiphysics软件建立实体煤岩钻孔注浆数值模型;然后,根据数值模拟结果分析注浆浆液在裂隙岩体中的扩散规律,并设计出适宜的注浆方案;最后,在现场开展钻帷一体化帷幕注浆和注帷一体化封孔注浆工艺的试验研究。结果表明：采取帷幕注浆措施能够有效封堵裂隙,提升瓦斯抽采浓度。相较于非帷幕注浆钻孔,试验钻孔单孔平均始抽浓度提高了9.4个百分点,单孔平均再抽浓度提高了14.5个百分点。该技术为类似矿山帷幕注浆工程提供了技术借鉴。     

群孔注浆方法在四铺铁矿中的应用

介绍了四铺铁矿采用井下帷幕注浆法防治岩溶地下水.在施工过程中,一次性打许多孔,通过关放水试验确定各孔之间的水力联系情况,后采用群孔注浆法一次性灌注多孔,取得了成效.这种方法效率高,能摸清岩溶裂隙发育规律,了解浆液在岩体中渗透情况以及注浆盲区,便于引导浆液形成帷幕层和合理布设检查孔.对类似矿井防治水也有借鉴意义.     

基于围岩及灌浆圈非均质性的外水压力计算

隧洞外水压力计算方法较多,每种方法都有优缺点。采用数值法来计算灌浆圈的外水压力,将围岩灌浆圈分为3层,计算了各层渗透系数不同以及等效后的渗透系数时条件下的外水压力。计算结果表明,随着衬砌渗透性的增加,外水压力逐渐减小。当考虑灌浆圈不同厚度的变化时,如果将围岩灌浆圈和钢筋混凝土衬砌当作一个整体考虑,衬砌外缘的外水压力下降幅度较大,灌浆圈外缘的外水压力下降幅度很小;当灌浆圈的渗透性与衬砌的渗透性相差不大时,衬砌的外水压力变化比较小,当灌浆圈的渗透性与衬砌的渗透性相差教大时,衬砌的外水压力变化比较大。经研究分析,采用数值法计算高压岔管区围岩及灌浆圈的外水压力有一定的实用性。     

弱胶结孔隙介质化学浆液可注性及注浆减渗效果试验

采用自行设计加工的注浆渗透模型对弱胶结孔隙介质化学浆液可注性及注浆减渗效果进行了试验研究。通过控制粗细颗粒不同配比,共完成了6个不同渗透性模型渗透系数测试和化学注浆试验。试验结果表明,注浆前渗透系数随模型中粗颗粒含量成指数函数增加;注浆之后各模型减渗效果有差异,但模型1～模型4总体减渗效果不理想,在试验条件下对模型1～模型4进行了二次注浆,减渗效果良好。通过注浆前后试样自然吸水率和真空吸水率测试,探讨了注浆减渗效果与孔隙性之间的关系。分析表明注浆后自然吸水率所反映的试样大开口孔隙率下降比例大于总孔隙率的降低幅度,表明浆液对连通性较好的大孔隙充填效果良好。     

压水试验定量评价注浆效果研究

注浆后岩体渗透性和力学强度是反映岩体注浆效果的重要参数,为定量评价注浆堵水工程效果,以安徽某矿奥灰特大突水抢险注浆堵水工程为例,提出采用钻孔高压压水试验方法,对C53太原组灰岩堵源注浆效果进行定量评价。针对高压压水试验过程中岩体渗透性的剧烈变化特征,提出采用紊流渗透定律计算岩体渗透系数。研究结果表明:C53太原组灰岩注浆后表现出良好的隔水性能,阻水性能呈现出高阻弱渗的特点,渗透性等级属极微~微透水,与注浆前弱~中等透水的渗透性等级对比,渗透性能显著变弱,说明堵源注浆效果良好;可根据临界抗渗强度来评价C53太原组灰岩注浆后抵抗水力劈裂的力学强度,经计算其临界抗渗强度为1.83 MPa/m,依据阻水系数消能试验测试原理,注浆后C53太原组灰岩足以抵抗5.64 MPa奥灰水的劈裂破坏,可以消除煤层底板奥灰突水威胁,能够达到堵源注浆工程目的。     

花岗岩地质条件下的帷幕灌浆试验研究

针对水利水电大坝特有的花岗岩地质条件,灌浆施工方法较为复杂,因此进行花岗岩地质条件下的帷幕灌浆试验研究是必要的。通过对灌浆施工方法、灌浆压力、灌浆浆液进行比选,灌前透水率、灌浆材料耗量、帷幕形成情况论证分析,结果表明:灌前透水率随着排序的增加,灌浆孔透水率逐渐减小,随着孔序的加密,灌前透水率在逐渐减小,灌前灌浆孔透水率小于5 Lu的所占比例较少,灌浆具有一定的可灌性。单位注灰量随着排序的增加逐渐减小,随着孔序的加密,各次序孔单位注灰量在逐渐减小,说明灌浆后岩石裂隙得到了较好的填充,地层逐渐被灌注密实,岩石的抗渗透性有了明显的提高,灌浆效果明显。各个孔均能够找到与岩石胶结的水泥浆脉,透水率均小于5 Lu,证明设计终孔高程是合理的,形成符合设计要求的阻水帷幕。     

深埋富水岩溶隧道帷幕注浆参数优化分析

深埋富水岩溶隧道在施工过程中经常会发生突水和涌泥,严重影响施工进度,甚至会发生严重事故,造成重大经济损失.对于深埋富水地区的隧道,如何有效控制涌水,保证围岩稳定,对工程建设的安全有着重要的影响.以成都至贵阳的应山岩隧道富水段为例进行了模拟研究,利用有限元软件ABAQUS对隧道帷幕注浆进行数值模拟分析,通过对数据进行分析...     

酸碱溶液对含硫尾矿砂渗透特性的影响研究

为研究酸碱溶液作用下含硫尾矿砂渗透特性的变化规律,对采自辽宁阜新某尾矿库的含硫尾矿砂开展研究,测得不同p H值溶液入渗条件下尾矿砂的孔隙比、渗透系数等参数,研究了不同水化学环境条件下含硫尾矿砂渗透特性的变化规律。研究表明,经酸溶液入渗的尾矿砂在试验前24 h内,渗透系数显著增大,随着时间的增加,渗透系数逐渐降低至最小值;Na OH溶液处理后的尾矿砂渗透系数逐渐减小;经酸碱溶液入渗的尾矿砂的渗透系数均随着孔隙比的增大而逐渐增大,且各工况的渗透系数均呈现出先缓慢增长,后快速增加的变化趋势。研究成果将为尾矿坝的安全运行和稳定性分析提供重要参考价值。     

单层井壁竖直附加力变化规律的数值分析

深厚表土疏排水沉降地层条件下的井壁处于复杂的动态受力状态,井壁的受力变化主要与底部含水层的渗透系数、含水层固结沉降量、井壁与国土的耦合作用有关.为探讨井壁竖直附加力大小的变化规律,运用数值模拟方法对单层混凝土井壁进行了分析研究,得出:井壁的竖直附加力与底部含水层渗透系数成正比对数关系,与井壁混凝土的弹性模量成正比线性关系;同时发现复合载荷作用下井壁的应力应变关系是动态变化的,井壁的塑性区是多种载荷耦合作用的结果.因此,减小底部含水层的渗透系数、井壁混凝土的弹性模量,有利于减小井壁的竖直附加力,可提高井壁的可靠性.     

矸石基含水层注浆改造新型材料实验与应用

高承压灰岩含水层上煤炭开采,经常需要对强含水层进行注浆改造,因含水层发育规模巨大,注浆材料用量动辄数万吨。在充分利用地下工程址区厂矿企业固体废弃物煤矸石基础上,研发了一种适用于含水层改造的新型无机注浆材料。通过组分筛选试验、力学性质测定试验、获取了材料的抗折强度、抗压强度、渗透系数等宏观力学性能;采用SEM微观分析手段,分析了注浆结石体的微观结构性能。综合力学性能、经济因素、环境效益,对比了新型材料与常规注浆材料的适用性。结合现场试验,验证了新型注浆材料的效果。研究结果表明:在水泥含量为35%时,新型注浆材料的早期强度与后期强度均高于水泥含量为40%时水泥-黏土浆液的同期强度。材料的最佳配合比为水泥30%,黏土10%,煤矸石60%。该材料体系结石体28 d抗压强度3.4 MPa,28 d抗折强度1.7 MPa,渗透系数1.794×10-7m/s,能够满足含水层改造需求,对类似工程具有借鉴作用。