地下工程動水注漿過程中漿液擴散與封堵機理研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，當前中國地下工程建設(shè)進入了一個新的階段。煤炭及鋼鐵等旺盛需求促使礦山建設(shè)及開采向深部不斷延伸，預(yù)計未來15年內(nèi)我國很多煤礦將進入1500～2000m的深度，同時我國一些金屬礦也相繼進入深部開采，采深達1000m左右，伴隨礦山的大深度開采，高壓涌突水危害日漸嚴重，對礦山安全生產(chǎn)造成重大威脅。隧道建設(shè)方面，西部大開發(fā)促使高速公路和鐵路建設(shè)重心逐步向西部轉(zhuǎn)移，西部處于我國地質(zhì)階梯的過渡地帶，山系發(fā)育，多呈現(xiàn)巖溶地貌，地質(zhì)構(gòu)

2、造極為復(fù)雜，給隧道建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，其中涌突水問題是隧道建設(shè)中主要的地質(zhì)災(zāi)害。地下工程水害形式多樣，對地下工程施工造成的危害較大，進行區(qū)域含水構(gòu)造及水源的有效探測，開展注漿理論的研究，特別是動水條件下的漿液擴散和封堵機理研究，并發(fā)展相對應(yīng)的涌水封堵技術(shù)，是地下工程水害治理的重要組成部分。目前國內(nèi)外針對漿液在靜水或無水環(huán)境下的運移擴散規(guī)律取得了一系列的研究成果，促進了裂隙注漿理論的發(fā)展。但理論研究遠遠落后于技術(shù)經(jīng)驗，沒有建立符合實際的數(shù)

3、學模型，更沒有考慮裂隙動水流場對漿液擴散的影響，計算結(jié)論也與試驗規(guī)律差別甚大，隨著地下工程突涌水災(zāi)害的日趨嚴重和復(fù)雜，急需開展動水注漿擴散及封堵理論的研究。因此本文從涌突水的地質(zhì)分類、水源及導水通道探測、動水注漿模型試驗臺研發(fā)、不同類型漿液的裂隙動水擴散機制和封堵機理研究、動水注漿新技術(shù)及其工程應(yīng)用等幾方面進行了研究與探討，得出了部分有實用價值的結(jié)論。
　　 ⑴從地質(zhì)角度對地下工程涌突水進行類型劃分。針對實際地下工程中最常見的平

4、面涌突水裂隙進行研究，根據(jù)導水通道對地下工程涌突水類型進行劃分，將地下工程水害劃分為構(gòu)造型涌突水、揭露型涌突水及接觸帶型涌突水等三個大類，并進一步劃分為10種亞類，詳細研究了不同涌突水類型的特點。
　　 ⑵基于地球物理探測理論和探測技術(shù)的研究，綜合利用地震波法、地質(zhì)雷達和瞬變電磁等物探方法，發(fā)揮不同方法優(yōu)勢，取長補短，實現(xiàn)區(qū)域水源賦存狀態(tài)和導水通道的準確探查。通過現(xiàn)場試驗和地震波雙相介質(zhì)反射理論研究，提出了地震波法探測和定位大型

5、地下含水體的方法，使水源探測成為可能。同時對電磁波的反射規(guī)律進行了研究，提出了雷達信號對含水裂隙的反應(yīng)特征及判識準則，實現(xiàn)了導水裂隙探測。研究成果實現(xiàn)了水源和導水通道的探查及定位，為涌突水封堵治理莫定了基礎(chǔ)。
　　 ⑶研發(fā)了國內(nèi)外第一臺可視化大比例準三維裂隙動水注漿物理模型試驗臺，能夠控制不同的流場條件，實現(xiàn)不同注漿參數(shù)的漿液動水擴散和留存封堵模擬。研發(fā)了光纖光柵流速傳感器，其精度高尺寸小，能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，實現(xiàn)了微裂隙動水流

6、場參數(shù)的實時監(jiān)測記錄，為動水注漿理論研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 ⑷對不同漿液在準三維平面裂隙中的動水注漿擴散規(guī)律進行了研究，首次提出漿液的U形擴散規(guī)律，得出了漿液動水擴散公式。并提出了用漿液擴散開度L和逆水擴散距離N描述漿液擴散范圍的方法。
　　 ⑸通過模型試驗的方法，針對水泥漿液的擴散和封堵進行了深入研究，首次提出了水泥漿液的分區(qū)分層擴散機理，并研究了不同注漿參數(shù)與漿液的擴散開度L和逆水擴散半徑N的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)了水泥漿液的快

7、速析水沉積現(xiàn)象，并分析了裂隙動水對漿液水分的運移襲奪作用機理，揭示了漿液的快速析水分層原理和沉積留存機理。提出了沉積留核的概念，用沉積留核描述水泥漿液的有效封堵區(qū)，得到了留核擴散參數(shù)L0和N0與漿水比ζ的關(guān)系，得出水泥漿液形成有效沉積擴散所對應(yīng)的漿水比ζ取值范圍為ζ∈[0.15，1.5]。結(jié)合水泥漿液的擴散和留存封堵機理，提出了水泥漿液的動水封堵注漿施工技術(shù)，并在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗中得到了驗證。
　　 ⑹通過注漿模型試驗和理論推

8、導，以化學漿液和抗分散漿液為代表，分別研究了兩種漿液類型所對應(yīng)的不同的擴散和封堵機制。提出了抗分散漿液的驅(qū)替擴散機制和驅(qū)替留存封堵機理，引入了驅(qū)替擴散狀態(tài)判斷值(Dp值)，并找到了Dp值的臨界范圍，即當Dp≥36時，漿液發(fā)生驅(qū)替擴散。找出影響漿液留存的主要因素，并研發(fā)新型水泥基抗分散注漿材料，實現(xiàn)了漿液的驅(qū)替擴散和有效留存，提出了相應(yīng)的動水封堵技術(shù)。同時也發(fā)現(xiàn)了化學漿液所特有的同化運移擴散機制，并且提出了基于蟻群效應(yīng)和漿液時變留存性質(zhì)的