地下工程動(dòng)水注漿過程中漿液擴(kuò)散與封堵機(jī)理研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)前中國(guó)地下工程建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)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(jì)未來15年內(nèi)我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入1500～2000m的深度，同時(shí)我國(guó)一些金屬礦也相繼進(jìn)入深部開采，采深達(dá)1000m左右，伴隨礦山的大深度開采，高壓涌突水危害日漸嚴(yán)重，對(duì)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(guó)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(duì)地下工程施工造成的危害較大，進(jìn)行區(qū)域含水構(gòu)造及水源的有效探測(cè)，開展注漿理論的研究，特別是動(dòng)水條件下的漿液擴(kuò)散和封堵機(jī)理研究，并發(fā)展相對(duì)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(guó)內(nèi)外針對(duì)漿液在靜水或無水環(huán)境下的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律取得了一系列的研究成果，促進(jìn)了裂隙注漿理論的發(fā)展。但理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，沒有建立符合實(shí)際的數(shù)

3、學(xué)模型，更沒有考慮裂隙動(dòng)水流場(chǎng)對(duì)漿液擴(kuò)散的影響，計(jì)算結(jié)論也與試驗(yàn)規(guī)律差別甚大，隨著地下工程突涌水災(zāi)害的日趨嚴(yán)重和復(fù)雜，急需開展動(dòng)水注漿擴(kuò)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(dǎo)水通道探測(cè)、動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)、不同類型漿液的裂隙動(dòng)水?dāng)U散機(jī)制和封堵機(jī)理研究、動(dòng)水注漿新技術(shù)及其工程應(yīng)用等幾方面進(jìn)行了研究與探討，得出了部分有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。
　　 ⑴從地質(zhì)角度對(duì)地下工程涌突水進(jìn)行類型劃分。針對(duì)實(shí)際地下工程中最常見的平

4、面涌突水裂隙進(jìn)行研究，根據(jù)導(dǎo)水通道對(duì)地下工程涌突水類型進(jìn)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(gè)大類，并進(jìn)一步劃分為10種亞類，詳細(xì)研究了不同涌突水類型的特點(diǎn)。
　　 ⑵基于地球物理探測(cè)理論和探測(cè)技術(shù)的研究，綜合利用地震波法、地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁等物探方法，發(fā)揮不同方法優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水源賦存狀態(tài)和導(dǎo)水通道的準(zhǔn)確探查。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和地震波雙相介質(zhì)反射理論研究，提出了地震波法探測(cè)和定位大型

5、地下含水體的方法，使水源探測(cè)成為可能。同時(shí)對(duì)電磁波的反射規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了雷達(dá)信號(hào)對(duì)含水裂隙的反應(yīng)特征及判識(shí)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)水裂隙探測(cè)。研究成果實(shí)現(xiàn)了水源和導(dǎo)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(guó)內(nèi)外第一臺(tái)可視化大比例準(zhǔn)三維裂隙動(dòng)水注漿物理模型試驗(yàn)臺(tái)，能夠控制不同的流場(chǎng)條件，實(shí)現(xiàn)不同注漿參數(shù)的漿液動(dòng)水?dāng)U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(shí)現(xiàn)了微裂隙動(dòng)水流

6、場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，為動(dòng)水注漿理論研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 ⑷對(duì)不同漿液在準(zhǔn)三維平面裂隙中的動(dòng)水注漿擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究，首次提出漿液的U形擴(kuò)散規(guī)律，得出了漿液動(dòng)水?dāng)U散公式。并提出了用漿液擴(kuò)散開度L和逆水?dāng)U散距離N描述漿液擴(kuò)散范圍的方法。
　　 ⑸通過模型試驗(yàn)的方法，針對(duì)水泥漿液的擴(kuò)散和封堵進(jìn)行了深入研究，首次提出了水泥漿液的分區(qū)分層擴(kuò)散機(jī)理，并研究了不同注漿參數(shù)與漿液的擴(kuò)散開度L和逆水?dāng)U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(dòng)水對(duì)漿液水分的運(yùn)移襲奪作用機(jī)理，揭示了漿液的快速析水分層原理和沉積留存機(jī)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(kuò)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(kuò)散所對(duì)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(kuò)散和留存封堵機(jī)理，提出了水泥漿液的動(dòng)水封堵注漿施工技術(shù)，并在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
　　 ⑹通過注漿模型試驗(yàn)和理論推

8、導(dǎo)，以化學(xué)漿液和抗分散漿液為代表，分別研究了兩種漿液類型所對(duì)應(yīng)的不同的擴(kuò)散和封堵機(jī)制。提出了抗分散漿液的驅(qū)替擴(kuò)散機(jī)制和驅(qū)替留存封堵機(jī)理，引入了驅(qū)替擴(kuò)散狀態(tài)判斷值(Dp值)，并找到了Dp值的臨界范圍，即當(dāng)Dp≥36時(shí)，漿液發(fā)生驅(qū)替擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了漿液的驅(qū)替擴(kuò)散和有效留存，提出了相應(yīng)的動(dòng)水封堵技術(shù)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了化學(xué)漿液所特有的同化運(yùn)移擴(kuò)散機(jī)制，并且提出了基于蟻群效應(yīng)和漿液時(shí)變留存性質(zhì)的