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。     

裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究

华北型煤田深部开采过程中受底板水害威胁愈发严重,水平孔注浆技术是治理此类水害的主要手段,其中浆液扩散规律的研究对注浆工程设计与施工具有重要意义。现有研究主要针对垂直孔注浆水平裂隙中浆液的扩散问题,当工程中采用水平孔注浆时浆液的扩散规律异于垂直孔。为此开展裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究,将裂隙岩体中的孔裂隙系统等效为开度相同的裂隙,构建了等效裂隙岩体模型。选取等效单裂隙建立了水平孔注浆浆液扩散力学模型,推导了任意倾角的等效单裂隙在考虑浆液自重时浆液扩散区内的压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及扩散距离的理论关系式。结果表明：采用COMSOL建立水平孔注浆垂直裂隙三维数值计算模型,分别对考虑重力和未考虑重力的2种工况进行计算分析,未考虑重力时浆液的扩散形态呈轴对称圆形扩散,考虑重力时浆液优先沿着重力方向进行扩散。在重力的影响下,浆液扩散过程中地下水对浆液分散与搬运作用更为强烈。重力对水平孔注浆浆液扩散形态、扩散距离及注浆终压影响较大,水平孔注浆工程中不能忽视重力对浆液扩散规律的影响。通过对比理论分析与数值计算结果,两者得到的注浆压力与注浆时间、注浆终压与扩散距离的变化趋势基本...     

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。     

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...     

基于颗粒流方法的煤层注浆细观力学特性模拟研究北大核心

注浆法是松软煤巷加固的常用方法之一,通过颗粒流模拟方法,对煤层的注浆过程进行了细观模拟研究,探究了不同煤体强度及注浆压力下的注浆效果,获取了浆液在煤层中的扩散形态。结果表明:煤层注浆经历“渗透-快速劈裂-缓慢劈裂-稳定”阶段,注浆过程中裂隙的扩展主要由裂隙尖端拉应力引起,在浆液压力作用下,裂隙尖端形成拉应力集中,达到启劈压力时浆液劈裂煤层;注浆压力及煤体强度对注浆效果均具有较大影响,注浆压力的增长对浆液扩散半径影响程度逐渐减小;煤体抗压强度越小,注浆扩散半径越大,裂隙发育越充分。     

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。     

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。     

覆岩隔离注浆充填浆液无压阶段扩散规律实验研究

浆液流动规律对覆岩隔离注浆充填参数设计及技术效果具有重要影响。浆液流动受注浆压力控制,而实际的注浆压力由零压、增压等多阶段组成。研究表明,无压阶段内注采比最大可达10%,研究浆液在该阶段内的扩散规律有助于优化注浆初期的浆液参数与钻孔布置。本研究采用理论分析与实验研究方法进行覆岩隔离注浆充填浆液在无压注浆阶段的扩散规律研究,利用量纲分析方法建立浆液扩散距离的无量纲公式,设计可视化的注浆充填浆液扩散模拟系统,开展浆液扩散规律的实验研究,并对无量纲方程进行求解。实验系统由透明有机玻璃板构成的可视化模拟裂隙、恒速率注浆泵、搅拌机及监测等部分组成。利用该实验系统研究注浆流量、终孔距裂隙高度、浆液运动黏度等因素对粉煤灰浆液扩散距离与浆体形态的影响。实验结果表明:浆体扩散经历径向扩散和双向扩散两个阶段,并以双向扩散为主。其中,径向阶段呈以注浆孔为中心的圆形扩散,双向阶段呈两边对称的面状扩散。基于实验结果,求解浆液无压阶段的扩散距离公式,并对有效性进行验证。得出两个阶段浆体形态的简化描述模型,并推导不同扩散时间不同位置的浆体厚度计算公式,阐明无压注浆阶段的浆液扩散规律。基于研究结果对覆岩隔离注浆充填在...     

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。     

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...     

气相压裂增透技术强化煤层瓦斯抽采效果的研究

针对高瓦斯低透煤层瓦斯抽采效果差、抽采成本高、抽采时间长等问题,通过应用气相压裂增透技术来强化煤层的瓦斯抽采效果,实验和现场测试分析压裂前后煤样的孔隙裂隙基本参数变化情况,明确增透强化的机理。结果表明:气相压裂煤层孔容和比表面积均以大孔为主;在不同吸附平衡压力和粒径下,压裂煤层的扩散系数随着时间的延长减小的幅度存在差异;气相压裂后煤层孔隙裂隙基本参数都呈现增大的趋势,有利于缩短瓦斯扩散路径,提高瓦斯扩散系数;气相压裂后,钻孔有效抽采半径、煤层透气性系数和渗透率分别提高了2.1~4.3倍、54~96倍和7.54~30.40倍,从而判定压裂煤层由原始难抽采煤层转化为易抽采煤层,气相压裂增透强化瓦斯抽采效果明显。     

采场破碎煤体注浆加固渗流规律研究

为了解决日益增多的煤矿中煤壁片帮事故,用化学树脂浆进行注浆煤体加固．在采场煤体破碎机理研究基础上以支承压力峰值点为分界点将采场注浆区分为塑性区和弹性区两个渗透物理模型来对煤体注浆加固渗流规律进行研究．把塑性区破碎煤体作为各向同性介质来建立注浆物理模型,基于塑性区渗透物理模型、质量守恒和达西定律建立了塑性区注浆渗流数学模型,通过插值方法对模型进行了解算,得到了塑性区浆液渗流规律,并在现场进行了破碎煤壁注浆加固试验和注浆渗流规律解算,结果表明通过化学树脂浆进行塑性区煤体注浆加固是可行的．     

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。     

基于数字图像处理技术的煤层瓦斯渗流过程数值模拟

在考虑克林肯伯格（Klinkenberg）效应、瓦斯解吸效应以及煤层压缩性对于煤层渗透性影响的基础上，提出煤层瓦斯运移的气-固耦合方程.利用基于数字图像的技术进行煤体非均匀结构特征的数值表征，通过数值分析研究了煤层内部结构对于瓦斯运移规律的影响，探讨煤层孔隙结构的非均匀性对于瓦斯运移过程的控制机制.研究表明，基于数字图像的技术是进行煤体的非均匀性表征的一个手段;克林肯伯格（Klinkenberg）效应、瓦斯解吸效应和煤层的骨架受力变形都是控制瓦斯运移的重要因素.     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

深部软岩巷道注浆扩散规律的数值模拟研究

为了研究软岩巷道破碎岩体注浆扩散规律,以裴沟煤矿深部42采区巷道为背景,建立了注浆液体扩散的数值计算模型,采用离散元软件分析了5种不同注浆压力和5种不同水灰比条件下浆液扩散特征,研究表明影响浆液扩散半径显著的因素排序为注浆压力大于水灰比,并探讨了巷道围岩径向和切向方向上注浆压力随着距离巷道表面距离增加呈先增大而后衰减的变化规律,但衰减具有差异性,最后进行了注浆效果的检验。研究结果对软岩巷道破碎岩体注浆加固具有很好的参考价值。     

非均质煤层瓦斯分布特征及钻孔抽采瓦斯运移规律研究

为了提高煤矿瓦斯抽采率，节约瓦斯抽采时间，分析了非均质煤层瓦斯分布特征及钻孔抽采瓦斯运移规律，采用透气性系数研究了非均质煤层瓦斯压力分布特点；分析了非均质煤层单钻孔瓦斯压力分布、原始瓦斯压力、原始透气性系数对有效抽采半径的影响。研究对指导现场瓦斯抽采以及促进煤矿安全生产具有重要意义。     

巨厚煤层全煤巷道破坏机理及注浆效果数值模拟

对于几十米、甚至高达几百米巨厚煤层,巷道全部位于煤层当中,由于煤层多松软、破碎,在煤 层深部没有稳定的锚固基点,锚杆（索）的锚固力较差。本研究针对新疆准东矿巨厚煤层全煤巷 道复杂地质特征,结合室内岩石力学实验并借助有限差分软件FLAC^3D对注浆效果进行了数值仿真 模拟。分析结果表明注浆对松软破碎的煤岩体有很好的加固效果,能大范围提高围岩力学参数, 从而提高锚杆（索）的可锚性,抑制围岩塑性区向深部发展,控制围岩变形。将浆液在煤岩体裂 隙中扩散范围定义为“注浆加固体等效层”,分别模拟了1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 m等6种 不同的浆液扩散半径,对比论证确定2.5 m为最佳的注浆深度。研究结果对指导巨厚煤层全煤巷 道安全经济合理支护具有重要意义。     

深部顶板夹煤层巷道围岩变形破坏机制及控制

深部矿山顶板夹煤层巷道顶板围岩变形破坏严重,控制难度大。现场探测发现此类巷道围岩具有独特的二分区破裂模式,存在相对独立的巷道周圈松动破裂区和夹煤层界面离层破裂区。建立计算模型,研究了夹煤层厚度、位置和分岔巷道岩柱宽度3个因素对巷道关键点位移、塑性区、非对称变形的影响规律,分析了围岩变形破坏机制：夹煤层界面离层破裂区的发展,造成围岩自承结构的失效和自承能力的丧失,破裂区超过支护体系控制范围,最终导致围岩破坏失稳。提出了“内修+外控”的以注为主的非对称联合控制对策,现场试验显示取得了较好效果。