巖溶地區(qū)地下巖溶管道、溶洞及裂隙發(fā)育,地下工程開挖過(guò)程極易誘發(fā)突涌水災(zāi)害。其中,大流量巖溶管道的涌水致災(zāi)性強(qiáng),封堵治理難度極大,已成為地下工程建設(shè)中的重大難題與挑戰(zhàn),也是亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本文通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相結(jié)合的方法,研究了巖溶地區(qū)大流量巖溶管道的控流降速與注漿封堵機(jī)理,提出了大流量巖溶管道涌水的成套封堵治理方法,主要成果成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)最大的凹陷式石灰石礦山巖溶涌水治理。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)通過(guò)對(duì)巖溶管道涌水特征進(jìn)行分析,概化了巖溶管道型涌水模型;基于水擊現(xiàn)象及水力學(xué)機(jī)理,在大流量非恒定流方程基礎(chǔ)上建立了管道涌水的控流降速模型;通過(guò)推導(dǎo)管道型涌水運(yùn)動(dòng)方程,提出了控流降速壓強(qiáng)的計(jì)算公式,從而揭示了控流降速機(jī)理,形成了巖溶管道涌水控流降速方法。(2)開展了管道型涌水控流降速室內(nèi)試驗(yàn),獲得了管道內(nèi)流體流速、壓力與孔口控流的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明:閥門開度與控流后管道內(nèi)水流速之間具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系式,即v= 0.1743e2.5543d,控流對(duì)管道內(nèi)水流速度具有顯著的降低效果。結(jié)合Comsol數(shù)值分析,開展了大流量管道涌水控流降速過(guò)程的數(shù)值模擬分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了控流降速的有效性。(3)根據(jù)漿料粘度的時(shí)變特性,分析了水泥漿和水泥基速凝漿料的理化性質(zhì),推導(dǎo)了一維管道中牛頓型漿液與賓漢姆型漿液的擴(kuò)散方程,建立了一維管道注漿量與漿液擴(kuò)散過(guò)程敏感參數(shù)的解析表達(dá)式,并開展了不同注漿參數(shù)下一維管道注漿量研究;建立了考慮典型漿液的漿液粘度時(shí)變性的漿-水兩相流水平集數(shù)值計(jì)算方法,開展了動(dòng)水管道注漿擴(kuò)散數(shù)值分析研究,揭示了大流量巖溶管道型涌水注漿封堵機(jī)理。(4)考慮鉆孔信息、連通試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)等信息,提出了巖溶凹陷式礦山徑流場(chǎng)分區(qū)依據(jù),運(yùn)用典型體元原理對(duì)各計(jì)算分區(qū)進(jìn)行賦值,建立了巖溶凹陷式礦山地下水滲流場(chǎng)分析方法;結(jié)合廣西華潤(rùn)水泥河景巖溶凹陷式礦山徑流帶數(shù)值模擬分析,研究了不同時(shí)期巖溶礦山地下水滲流場(chǎng)特征,得到了礦山地下水水頭、流線、流速等信息的分區(qū)與分布規(guī)律。驗(yàn)證了在礦山徑流帶區(qū)域施作非連續(xù)帷幕截流封堵的可行性,對(duì)比分析了非連續(xù)帷幕實(shí)施前、后礦區(qū)地下水流場(chǎng)變化特征,揭示了巖溶地區(qū)非連續(xù)帷幕的封堵機(jī)理。結(jié)果表明:施作非連續(xù)帷幕后,帷幕外地下水位提高,靠近礦坑涌水速度下降,徑流帶明顯減弱,巖溶地區(qū)治水實(shí)施非連續(xù)帷幕具有較強(qiáng)的可行性和顯著的封堵效果。(5)提出了“非連續(xù)帷幕截流+關(guān)鍵過(guò)水通道探查+止?jié){墊控流降速+聯(lián)合注漿封堵+治理效果評(píng)價(jià)”的整套巖溶管道涌水系統(tǒng)封堵方法。結(jié)合物探、鉆探與水文示蹤試驗(yàn)等方法,可有效確定非連續(xù)帷幕封堵位置,實(shí)現(xiàn)巖溶過(guò)水主通道靶域精確鎖定;通過(guò)設(shè)置控流降速止?jié){墊,可有效降低管道內(nèi)水流速度,大幅提高注漿封堵過(guò)程中漿液留存率;研發(fā)了適用于大流量巖溶管道抗分散的新型注漿材料,通過(guò)流量與壓力控制優(yōu)化了注漿封堵工藝,結(jié)合多孔聯(lián)合注漿技術(shù),可有效封堵大流量高流速巖溶管道涌水徑流通道。(6)研究成果成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)最大凹陷式石灰石礦山-廣西華潤(rùn)水泥(平南)公司河景石灰石礦山采坑特大涌水點(diǎn)封堵(單點(diǎn)涌水量71200 m3/d),總減水量84300 m3/d,確保了該礦山的正常安全生產(chǎn),產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,形成了巖溶地區(qū)凹陷式礦山開采涌水綜合治理理論技術(shù)體系,對(duì)類似工程具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD745
【部分圖文】：

圖１－２技術(shù)路線圖??Ｆｉｇ．?１－２?Ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ?ｒｏｕｔｅ??．４．３創(chuàng)新點(diǎn)??（１）推導(dǎo)了大流量高流速非恒定流方程，建立了巖溶管道涌水控流降速制了管道型動(dòng)水室內(nèi)控流降速試驗(yàn)裝置，開展大流量管道控流降速室內(nèi)試過(guò)試驗(yàn)獲得了孔口控流與管道內(nèi)流速、壓力關(guān)系規(guī)律，揭示了控流降速機(jī)

需結(jié)合工程具體情況，針對(duì)特定的巖溶地下水類型和基本特征，提出針對(duì)性的治??理方法�？筛鶕�(jù)巖溶地下水的的儲(chǔ)存形式將其分為裂隙、溶隙、脈管、管道、溶??洞、暗河等多種類型［１６＜Ｍ６２］，如圖２－１所示。??（１）

通道主要是巖溶管道，涌水壓力是指有水壓高差，涌入空間即地下開挖工程［１３３］。??本節(jié)基于巖溶地區(qū)水文地質(zhì)條件及管道型涌水特征，建立巖溶管道型涌水的??基本水力模型，如圖２－２所示，并對(duì)其涌水水力特征進(jìn)行分析。??水源（江、河）?凹ｎｓ礦山開采????????????１１ｒ／／／／／／／／／／／／／／／＾ｖ－？?—?￣￣，＾＼＼＼＼＼＼＼％＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼?ｎＶｗｘＷｗＷｗＷＸｗ＾ｉ?／ｊｉｗｗｗ??＼?＼開采水平臺(tái)段?＿／??＿＿＼?ｆ??Ｈ?Ｖ７７７７７７Ｘ?浦水點(diǎn)??ｈ??Ｕ?Ｌ?基準(zhǔn)面??圖２－２巖溶管道型涌水基本水力模型??Ｆｉｇ?２－２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｈｙｄｒａｕｌｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?Ｋａｒｓｔ?ｇｕｓｈｉｎｇ?ｗａｔｅｒ??將巖溶管道涌水視為穩(wěn)定流，對(duì)涌水發(fā)生的四個(gè)基本要素進(jìn)行分析。設(shè)定基??準(zhǔn)面，將涌水水源處的水頭記為Ｈ，將涌水通道起點(diǎn)與涌水空間的直線距離，記??為Ｌ，涌入空間形態(tài)為泉或泉群或地下工程開挖工作面，設(shè)為Ｊ點(diǎn)，高為／？，同??時(shí)設(shè)定一定高差即Ｈ＞／／。??當(dāng)?shù)叵鹿こ淌┙衣队克ǖ赖乃查g，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。根據(jù)伯努利能量??方程可得??２２??
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本文編號(hào)：2852302