倾斜裂隙动水注浆扩散规律及堵水关键域研究
张嘉凡1
孙晓东1
刘洋2
覃祥瑞3
张慧梅1
1.西安科技大学 力学系,陕西 西安 7100542.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 7100543.西安科技大学 建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054
摘要：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曲线随时间同步变化,沿顺、逆水方向(测线1)压力分布从动水入口至出流边界呈递减趋势,且裂隙倾角越大,压力场衰减越快,沿垂直于水流方向(测线3)压力分布具有对称性,表现为在注浆孔处压力值最大,且注浆孔周围压力衰减速度最快,随着与注浆孔距离的增加,压力衰减速度逐渐减小并趋于平缓.根据浆液在裂隙中的分区-分层扩散方式,确定了堵水关键域位置与范围大小,且堵水关键域面积的试验测试结果与理论计算值之间的误差均小于 8.5%,表明本文所建立扩散模型能够描述堵水关键域浆液的扩散过程.根据注浆孔与堵水关键域的相对位置,合理布置注浆孔可有效提高注浆堵水效果,据此对传统注浆工艺提出改善建议.
关键词：倾斜裂隙动水注浆堵水关键域扩散模型
分类号：TD745(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(12172280)陕西省自然科学基金重点资助项目(2020JZ-53)
论文发表日期：2023-12-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 575-588 )
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