基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水开采技术及应用

在地下水径流通道处建造帷幕注浆墙体是矿产资源开发与地下水资源保护的重要平衡手段,而随着矿产资源开发强度和深度的增大,建造大型帷幕墙体面临钻探成本高、墙体内外水压差大、墙体截流率低等问题,针对上述问题采用受注介质宏细观特征分析的方法,宏观上研究受注介质发育特征及水文地质条件,细观上基于显微CT分析研究受注介质空隙发育特征和几何参数,宏细观结合综合分析大型帷幕墙体建造科学位置、钻探工艺、注浆材料和适用性配比选取、注浆压力等问题,并利用放水试验、钻孔取芯、钻屑组分判断等手段对帷幕注浆效果进行分析评价。研究结果表明:对于开度较小的裂隙,须采用纯水泥浆液进行升压注浆充填,对于含有较大空洞岩溶地层,可在水泥浆液中掺入粉煤灰进行无压充填灌注;水固比为0. 6,0. 7,0. 8,0. 9的水泥浆液,水固比为2. 0,1. 0,0. 8,0. 6和对应粉煤灰掺量20%,20%,20%,20%和30%的水泥-粉煤灰浆液结石体的物理力学性质均能够满足帷幕墙体建造要求;帷幕墙体建造最小安全厚度为7. 84 m,满足浆液扩散范围和建造效率的注浆压力为4～6 MPa。经检查孔检验,大空洞充填灌注采取的浆液结石体试样饱和抗压强度为11. 2 MPa,完全满足墙体强度要求;放水试验中,墙体内外水位差7 d达到140 m、截流率在86. 51%以上,墙体截流效果显著,达到设计目标和要求。     

砾岩含水层帷幕浆液运移规律与改性效果分析

注浆帷幕截流是深部矿井水害治理的主要技术手段之一,针对淮北矿区朱仙庄煤矿8号煤层水害防治问题,采用CT扫描与室内试验测试得到受注砾岩孔裂隙分布及岩石力学特征,利用COMSOL Multiphysics软件建立了受注砾岩层的孔隙介质与孔隙-单裂隙介质2种数值模型,分析了帷幕墙注浆截流效果。研究结果表明:浆液在孔隙介质中的运移范围随注浆时间的增加而增大,浆液运移稳定后的扩散范围为10.12～10.44 m;孔隙-单裂隙介质数值模型中,浆液运移形态沿裂隙方向对称,浆液运移优先进入裂隙通道,随后沿裂隙方向扩散至孔隙介质中,随注浆时间的增加,浆液运移范围逐渐增大并最终趋于稳定,孔隙-单裂隙介质中浆液的纵向扩散范围为10.05～10.23 m,横向扩散范围为16.30～16.98 m;根据数值计算结果,提出了注浆孔间距为20 m、两排注浆孔交错布置、有效宽度约为40 m的帷幕截流方案。最后,通过注浆前后砾岩物理力学性质对比分析与现场放水试验的方法,验证了帷幕墙截流效果良好、注浆孔间距布置合理。     

地面顺层孔注浆技术在帷幕截流工程中的应用

为了解决朱仙庄煤矿8煤顶板五含水害问题，提出了“帷幕截流，疏干开采”的治理思路，基于地面顺层孔注浆技术研究了大埋深、巨厚层、极强富水岩溶含水层帷幕截流技术，提出了双排平行错位布孔、内外交叉检验的钻孔方式以及前进式控压、多回次控量注浆的注浆控制工艺，运用 “分序孔注浆指标对比分析—地面钻孔检查—井下放水验证”的三阶段质量检验方法验证了帷幕截流效果。结果表明：地面定向顺层孔注浆可实现煤矿大埋深、巨厚层、极强富水溶隙裂隙含水层的帷幕经济高效建造|注浆改造后的岩石抗压强度提高1.6MPa，孔隙率降低77.5%，弹性模量、密度也略有提高，透水率小于1Lu，注浆效果良好|放水验证帷幕过水量小于40m3/h，截流率大于98%，内外水位差大于350m，帷幕截流效果良好且运行稳定。     

粉煤灰水泥注浆材料特性试验研究

在室内进行粉煤灰水泥注浆材料正交配比试验,分析结果表明,结石体的杨氏模量和抗压强度随粉煤灰的掺量和水灰比增加而降低.浆液初凝结和终凝时间随粉煤灰掺量和水灰比的增加而延长,两者大致成线性关系.浆液的结石率随粉煤灰掺量的增加而增大,随水灰比的增大而减小.     

巷道注浆钻孔设计关键参数确定方法探讨

针对煤矿注浆钻孔设计存在随意性强、注浆效果差的问题,以赵庄煤业33072巷注浆加固为工程背景,采用钻孔窥视方法确定了深层和浅层钻孔的深度,采用不同注浆压力下浆液扩散半径试验确定了钻孔间排距和最小注浆压力,浅层和深层钻孔深度分别确定为3 m和10 m;浅层钻孔排距2 m,间距1.1 m,最低注浆压力6 MPa,深层钻孔排距4 m,间距1.5 m,最低注浆压力8 MPa.注浆后钻孔窥视结果说明,浆液扩散效果良好,未发现未被填充的裂隙。     

基于渗滤效应的砂土注浆加固机理研究

含水砂层采用水泥注浆时不可避免产生渗滤效应,渗滤效应对浆液有效扩散范围、加固效果具有显著 影响。 基于渗流力学的一般原理和质量守恒,对浆液扩散速度、压力及水泥颗粒运移、滤出机制进行了分析,并采用矿 渣硅酸盐水泥、聚合物超细水泥对含水砂层进行了注浆试验。 理论推导和模型试验表明,浆液水灰比、注浆压力及介 质孔隙率均在一定程度上决定着注浆加固效果。 随水灰比和孔隙比减小,浆液浓度增加,有效扩散范围减小;注浆压 力减小,浆液扩散分布不均衡,在一定程度上也降低了注浆加固的效果。 研究结果对于含水砂层注浆治理具有一定 的参考价值和学术意义。     

瓦斯抽采钻孔封孔水泥浆液水灰比优化研究

为进一步提高本煤层瓦斯抽采钻孔封孔模拟的准确性,考虑水泥浆液扩散过程中黏度时变性及应力对浆液扩散造成的影响,对不同水灰比条件下的水泥浆液基本性能进行实验室测定,分析了不同水灰比的水泥浆液性能及变化特点。采用理论推导、数值模拟的方法,对不同水灰比条件下的水泥浆液扩散范围开展研究计算,对煤矿井下注浆封孔水泥浆液的水灰比进行了优化。在贵州小屯煤矿对模拟结果进行实测验证,现场封孔效果较好,进一步结合井下实际情况对水泥浆液的水灰比进行优化。研究结果表明:水泥浆液初始动力黏度随水灰比增大而减小,水泥浆液黏度随时间基本呈指数增长;根据井下实际封孔情况并结合模拟结果,确定水泥浆液的最佳水灰比为0.9。     

水泥粉煤灰注浆材料特性试验及其应用研究

通过室内试验对水泥粉煤灰浆液的各项工程性能指标进行了系统的测试,探究了不同水灰比、固相比与结石体抗压(剪)强度、凝结时间、粘度、结实率与时间的关系,研究结果表明:不同龄期硬化体抗压(剪)强度,随水灰质量比的增大而降低,对浆液硬化体强度28d龄期更为适宜,但对于注浆工程本身来说,可参考7d龄期的浆液硬化体强度;水灰比为1:0.5~0.8时,浆液流动性能良好,但硬化体强度较低,加固效果较差;而水灰质量比为1:1时,硬化体强度高,结石率高,充填加固效果较好;水泥粉煤灰浆材凝结时间较长,随粉煤灰掺量的增大而增大,随水灰质量比的增加而延长;但浆材流动度随粉煤灰掺量的加大而降低,同时粘度增大,结石率升高;粉煤灰含量为20%时,水泥和粉煤灰的物理化学反应较好,可注性能优异,能够满足注浆堵水以及工作面底板改造的要求。     

九龙煤矿深部岩体注浆浆液配比优化研究

为改善九龙煤矿-850m胶带大巷破碎围岩注浆加固效果,通过实验室析水率和单轴抗压试验,对不同水灰比和膨润土比例的以PO42.5普通硅酸盐水泥和细度800型超细水泥为主要材料的注浆浆液配比进行了优化研究;采用自主研发的MYZJ-2型实验室液压注浆系统对三轴压力试验破坏后的胶带大巷泥岩标准试件进行注浆试验,并对比分析了注浆试验效果。研究结果表明:水灰比1∶0.6,膨润土比例为水泥重量4%的超细水泥浆液,析水率为6%,养护28d后单轴抗压强度为8.87MPa,满足实验室对标准尺寸破坏试件的注浆要求;优化配比浆液对三轴压力试验破坏后的泥岩试件注浆加固后,试件单轴强度恢复值为试件原单轴抗压强度的14.7%,注浆效果较好。     

复合强富水含水层帷幕薄弱带识别方法与靶向加固技术

为了治理复合强富水含水层帷幕薄弱带,以朱仙庄煤矿侏罗系灰岩含水层帷幕为研究对象,分析研究了帷幕薄弱带形成的主要原因与薄弱带识别方法,提出了以钻孔布置原则和靶向注浆技术为核心的帷幕薄弱带治理技术体系。结果表明：含水层各向异性、高速动水条件、地下水冲击或侵蚀作用以及构造条件是薄弱带发育的主要原因|加固钻孔布设在帷幕墙外主径流方向上,距离帷幕0.5～1倍扩散半径,孔间距及钻孔个数由浆液扩散距离和薄弱带长度决定|利用井下疏降产生的水压差形成动水条件,将传统加固方式发展为靶向注浆加固,可以使浆液有针对性地加固帷幕薄弱带。研究成果减少了注浆盲目性,降低了治理成本,实现了复合强富水含水层帷幕截流目标。     

水泥—粉煤灰注浆材料特性试验研究

通过室内对水泥—粉煤灰浆液的各项物理力学及化学性质进行测试,获取了不同材料配比及不同龄期条件下浆液的结石体抗压及抗剪强度、流动度(扩散半径)、黏度、结实率、凝结时间等工程参数,探究了各工程参数间的相互作用关系。结果表明:不同龄期条件下的浆液硬化体抗压及抗剪强度随水灰比的增大而降低,对于注浆工程本身来说,选取7 d龄期条件下的浆液硬化体强度最为适宜;水灰比为1:0.5~1:0.8时,浆液流动性比较好,但硬化体强度较低,加固效果较差;而水灰质量比为1:1时,硬化体强度及结实率较高,充填加固效果较好;水泥—粉煤灰浆液的凝结时间随粉煤灰掺入量的增大而增大,随水灰比的增加而延长;水泥—粉煤灰浆液的流动度随着粉煤灰掺量的加大而降低,但黏度增大,结石率升高;当粉煤灰含量为20%时,水泥和粉煤灰的物理化学反应较好,可注性能优异,能够满足注浆堵水以及工作面底板改造的要求。     

水泥尾砂浆在某矿充填封堵中的应用

某矿水文地质条件复杂,矿井开采过程中曾发生过突水现象,为保证矿床的安全开采,在矿井四周建设止水帷幕。通过进行水泥尾砂浆室内试验,掌握浆液的性能参数,结合帷幕注浆截流工程的现场施工经验,对水泥尾砂浆与水泥黏土浆浆液进行对比,提出水泥尾砂浆的优势、适用范围及施工过程中要注意的问题,为防止注浆孔随深度增加而提高注浆压力后产生地表冒浆,以及加强溶洞等宽大裂隙的强度,利用水泥尾砂浆进行充填注浆,取得很好的封堵效果,对类似项目施工起到一定的指导作用。     

瓦斯抽采钻孔注浆固结封孔过程中超高水膨胀浆液的可注性研究

我国煤层瓦斯抽采钻孔普遍存在封孔质量较差、漏气严重的问题,造成瓦斯抽采浓度偏低,限制了煤层瓦斯的开发与利用。为此,提出了一种利用新型超高水膨胀浆液注浆固结封堵钻孔的新方法,开展了超高水膨胀浆液的凝结实验和流动性测试研究,评价了超高水膨胀浆液的可注性。结果表明,超高水膨胀浆液的凝结时间受水灰比的影响显著,并且随水灰比的增大而呈非线性增大,能够满足注浆的时间要求;超高水膨胀浆液的漏斗黏度随着水灰比的减小而增大,水灰比6∶1以上的稳定浆液具有良好的可注性。     

超细水泥材料注浆试验研究

为获得超细水泥材料注浆在破碎蚀变矿岩中的施工参数和扩散特性,论文在研究超细水泥粒径分布、水灰比和可注性等特性的基础上,以某矿破碎蚀变薄矿脉为试验场地,进行了注浆参数设计和现场注浆试验,分析注浆试验数据,获得了一系列相关的结论。分析结果表明：在试验段进行DMFC-1200超细水泥注浆的合适浆液水灰比为1.2:1.0;合理的注浆压力范围为2~6 MPa;浆液扩散半径范围为0.5~1.5 m,扩散区域主要集中在轻、中蚀变岩中。     

河南某铅锌银矿超细水泥材料注浆试验

在分析超细水泥粒径分布、水灰比和可注性等特性的基础上,对河南某铅锌银矿破碎蚀变薄矿脉进行超细水泥现场注浆试验。结果表明,以DMFC-1200超细水泥注浆的合适浆液水灰比为1.2∶1.0,合理的注浆压力范围为2.0~6.0 MPa,浆液扩散半径范围为0.5~1.5 m,扩散区域主要集中在轻、中蚀变岩中。     

淋水软弱巷道注浆加固扩散机理与参数优化的研究

为了研究淋水软弱巷道注浆加固与封堵围岩过程中浆液渗透扩散机理并优化注浆参数, 采用流固耦合数值分析方法探索浆液在岩体中的运动扩散规律,并给出合理注浆压力、时间与浆 液水灰比;基于弹塑性与渗流理论分析水渗透压作用下注浆加固半径与塑性区大小关系,确定合 理注浆深度。 研究结果表明:高水黏度时变特性浆液在岩体中的扩散范围随着压力、水灰比和注 浆时间增加而增大,针对石碣峪矿井地质生产条件,合理注浆压力为２*５ＭＰａ,水灰比为２∶１,注浆 时间约为３０ｍｉｎ;随注浆半径增大塑性区半径减小,但减幅变小,得出合理注浆半径约为１０*２９ｍ; 在注浆半径５*５ｍ、渗流压力０*５ＭＰａ下,巷道围岩塑性区半径为２*８４ｍ,大于无渗流塑性区半 径２*１０ｍ;在深孔锚索注浆治理淋水软弱巷道中采用优化后的注浆参数,取得了良好的效果。     

岩溶裂隙发育地层帷幕注浆材料性能及适用性研究

针对某矿区岩溶裂隙发育地层突水灾害帷幕注浆治理工程,开展适用于岩溶裂隙发育地层帷幕注浆材料的性能及适用性研究。通过室内试验对硅酸盐水泥单液浆、水泥-粉煤灰浆液、水泥-粉煤灰-黏土浆液基本性能以及最佳配比进行研究,并根据该矿区地层性质及帷幕注浆扩散方式要求,从材料性能、技术可行性、注浆过程控制、治理效果及经济环保性等方面系统研究了注浆材料适用性,对注浆实际工程材料选择提供参考及指导。研究结果表明:浆液水固比是影响浆液结石体强度、黏度、结石率、凝结时间等基本性能指标的主控因素,粉煤灰及黏土掺量配比也会影响复合材料基本性能参数。根据提出的注浆材料适用性评价方法以及不同配比不同类型材料性能参数,确定了不同区段注浆材料及配比等注浆参数,对该矿区突涌水进行了有效封堵。     

低温环境下添速凝剂的水泥浆凝结特性试验研究

为了解决低温环境下水泥浆液凝结缓慢、结石率低、强度低的问题,采用了理论分析和室内试验的方法,进行低温环境下添水玻璃速凝剂的水泥浆凝结特性试验,研究了0、3、5℃温度和0%、3%、5%、8%、10%、12%水玻璃掺入量对水泥浆液凝结时间、结石率和强度的影响。结果表明:水玻璃能够有效缩短水泥浆液的凝结时间,添水玻璃的水泥浆凝结时间随温度的降低而延长,随温度的升高而缩短;凝结时间随水灰比的增大而延长;结石率随水玻璃掺量的增加而增加,随水灰比的增大而减小;10%水玻璃掺量的水泥浆凝结时间、结石率和强度较好。     

弱胶结砂砾层水平注浆细观模拟研究

为从细观角度分析弱胶结砂砾层水平渗透注浆过程，利用颗粒流软件建立水平注浆数值计算模型，基于正交试验和单因素试验，研究浆液黏度、注浆压力、注浆时间3个因素对浆液扩散半径和试样孔隙率的影响规律。使用回归分析方法拟合公式，得到扩散半径与3个因素之间的关系。模拟结果表明：浆液扩散半径与注浆时间、注浆压力呈正相关关系，与浆液黏度呈负相关关系，对扩散半径影响最为显著的因素是浆液黏度，其次是注浆压力和注浆时间；浆液扩散速度随时间递减，在注浆压力1.0 MPa工况下，注浆时间0.15 h浆液扩散速度为3.44 m/h,至3 h减小到0.32 m/h;试样孔隙率随注浆时间、注浆压力的增大而增大，随浆液黏度的增大而减小；花管同时注浆与单孔顺序注浆相比，在相同时间下浆液扩散范围更大，浆液扩散为一个整体。通过对比工程实例，发现利用颗粒流数值模拟结果能够较准确反映出砂砾层渗透注浆的一般扩散规律。     

注浆新工艺在铜录山矿帷幕工程中的应用

铜录山矿在治理矿区地面塌陷及地下水截流中,采用了帷幕注浆技术。针对该矿典型动水注浆的特点,在工程中应用了一些新的注浆工艺。在防止浆液流失、控制浆液扩散范围及溶洞含砂层水泥注浆等方面的研究,均获得成功。所采用的水泥—水玻璃双液注浆、海带堵漏以及钻杆注浆等项技术,经室内试验及现场工业性试验,均获良好效果。这些新工艺的应用成功,使帷幕注浆技术水平进一步提高,为解决复杂地质条件的大水矿山防止地表塌陷及减少矿坑涌水量,提供了切实可行的方法。