【摘要】：對于地下工程巖體涌水，注漿技術(shù)是其主要治理手段之一。運動的地下水環(huán)境是涌水注漿治理的最大特點。動水條件下注漿增加了注漿成功的難度。漿液擴(kuò)散規(guī)律也與非動水條件下注漿大不一樣。漿液在動水作用下的運移擴(kuò)散規(guī)律及封堵機(jī)理是目前急需解決的科學(xué)問題。本文以流體力學(xué)理論和地下水溶質(zhì)運移理論為基礎(chǔ)，通過理論分析與注漿模擬試驗相結(jié)合的方法，探討了注漿壓力的產(chǎn)生機(jī)理，研究了巖體中管道和裂隙在動水條件下注漿漿液的擴(kuò)散與封堵機(jī)理，并分別提出了相應(yīng)的注漿封堵原則和條件。 主要研究內(nèi)容及成果包括： （1）從動水注漿研究的角度，對工程涌水類型進(jìn)行了劃分；提出了涌水的基本三要素：涌水水源、涌水通道及涌入空間；概化了動水注漿工程地質(zhì)模型，根據(jù)被注介質(zhì)空隙類型及注漿位置特點主要可分為三類：淺孔裂隙（或小型溶管）注漿堵水、深孔裂隙（或小型溶管）注漿堵水、深孔大型管道孔洞注漿堵水。 （2）考慮注漿動力系統(tǒng)全特性和被注介質(zhì)阻力特性，對注漿壓力提出了新的認(rèn)識：注漿壓力即為在某一時刻，動力系統(tǒng)所能給予的作用力和漿液流動擴(kuò)散阻力在一定注漿流量Q時不斷平衡得到的力。建立了注漿壓力的數(shù)學(xué)模型，該模型反應(yīng)了注漿過程中注漿壓力和流量的變化波動機(jī)制。提出了漿液擴(kuò)散阻力特性值SH的概念，SH即為注漿孔單位長度上，單位注漿流量所需要的有效注漿壓力水頭，它直觀反映了地層的可注性情況及注漿過程特征。最后以注漿壓力數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對簡單管道及裂隙靜水注漿時漿液的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了分析，理論推導(dǎo)了漿液擴(kuò)散半徑、擴(kuò)散速度公式等。 （3）組裝了注漿試驗系統(tǒng)，并進(jìn)行了9組動水管道水泥注漿的正交試驗。試驗主要考慮了水源水頭_Hw、注漿流量Q注、動水流量Q_w以及漿液水灰比W/C等因素水平的影響。結(jié)果表明，注漿過程中，水源水頭及注漿流量大小是影響水泥注漿堵水成敗的關(guān)鍵因素。試驗發(fā)現(xiàn)了漿液進(jìn)入動水管道時產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象，該現(xiàn)象由漿液的對水的突然沖擊引起，導(dǎo)致注漿孔上游水壓力出現(xiàn)壓力劇增的波動現(xiàn)象。注漿過程中，漿液的擴(kuò)散存在三種方式：漿液被動水?dāng)y帶出流；漿液先順?biāo)鬟\移，后逆水流擴(kuò)散；漿液進(jìn)入管道后同時向上下游擴(kuò)散。注漿后，管道的封堵狀態(tài)分四種：無封堵、漿液充填后潰流不封堵、頂部滲流不完全封堵、完全封堵。通過力學(xué)分析，推導(dǎo)了發(fā)生“漿液充填后潰流不封堵現(xiàn)象”和“頂部滲流不完全封堵現(xiàn)象”之間的臨界滲透流速u_(cr)。 （4）進(jìn)行了動水管道化學(xué)注漿的正交試驗。化學(xué)漿液采用凝膠時間可調(diào)控的脲醛樹脂漿液。試驗中，考慮了漿液凝膠時間t_n、管徑大小d、水源水頭Hw三因素的影響。注漿過程中，，漿液的擴(kuò)散與水泥漿液注漿時相似。試驗表明，化學(xué)漿液對動水管道的封堵機(jī)理主要有三種：注漿孔上、下游膠凝固結(jié)封堵、下游膠凝固結(jié)封堵、上游膠凝固結(jié)封堵。 （5）以水泥和化學(xué)漿液管道注漿的分析結(jié)果及封堵機(jī)理為基礎(chǔ)，分別提出了漿液對動水成功實現(xiàn)擴(kuò)散封堵的基本原則。水泥漿液封堵的基本原則包括：管道的最大靜水壓力應(yīng)小于充填段漿液的屈服剪切力；漿液注入時應(yīng)保證可以充填全部管道過水?dāng)嗝妫怀霈F(xiàn)漿—水混合流的情況。動水化學(xué)注漿封堵的基本原則：充填段漿液固結(jié)后與管壁的粘結(jié)力應(yīng)大于靜水壓力；應(yīng)調(diào)整注漿流量和漿液凝膠時間等因素使?jié){液的凝膠現(xiàn)象能保證在管道內(nèi)發(fā)生；注漿持續(xù)時間應(yīng)大于漿液漿液凝膠時間。以封堵的基本原則為根據(jù)，提出了成功封堵時漿液性質(zhì)、注漿時間所需滿足的條件，并推導(dǎo)了水泥漿液等賓漢流體漿液成功封堵所需的臨界流量Qe和速凝類化學(xué)漿液不同封堵作用機(jī)理時成功封堵所需的臨界流量Qe和Q’e。 （6）進(jìn)行了有限邊界裂隙的動水注漿試驗。漿液采用脲醛樹脂化學(xué)漿液。共計7組試驗，分別考慮了裂隙展布寬度B，漿液凝膠時間tn等因素對漿液擴(kuò)散與封堵規(guī)律的影響。漿液在有限邊界裂隙中的流動擴(kuò)散可分為兩個階段：無側(cè)向邊界輻向擴(kuò)散階段和沿側(cè)向邊界擴(kuò)散階段。在第一擴(kuò)散階段，發(fā)現(xiàn)了動水對漿液擴(kuò)散體繞流時產(chǎn)生的低壓漩渦區(qū)，具體表現(xiàn)為漿液擴(kuò)散體尾部水壓和流速的降低�；瘜W(xué)漿液對動水裂隙的封堵機(jī)理分為三種：①全斷面漿液擴(kuò)散固結(jié)完全封堵；②固結(jié)—繞流—固結(jié)完全封堵；③非全斷面擴(kuò)散留存不完全封堵�！叭珨嗝鏀U(kuò)散固結(jié)完全封堵”即漿液進(jìn)入裂隙后快速進(jìn)入第二擴(kuò)散階段，充填全部裂隙過水?dāng)嗝娌⒛z固結(jié)；“固結(jié)—繞流—固結(jié)完全封堵”即漿液在離注漿孔正下游方向較近的某一位置最先固結(jié)后，新漿液對其進(jìn)行繞流，繞流過程中，固結(jié)體范圍不斷增大，最終封堵整個斷面；“非全斷面擴(kuò)散留存不完全封堵”即為漿液注入只出現(xiàn)擴(kuò)散的第一階段，漿液無法對全過水?dāng)嗝孢M(jìn)行封堵，但注漿后漿液在其流域上留存下來，減小了過水?dāng)嗝婷娣e。 （7）依據(jù)漿液在動水裂隙中的封堵機(jī)理，分別提出了實現(xiàn)“全斷面完全封堵”和“漿液留存不完全封堵”的基本原則。依據(jù)封堵原則，提出了成功封堵所需的臨界注漿流量Q_j、臨界漿液粘結(jié)力C，以及其他注漿可控工藝參數(shù)所需滿足的條件或表達(dá)式。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P641;TU94

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2377979