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深埋煤岩体注浆加固效应与控制参数研究

深埋煤岩体注浆加固效应与控制参数研究

作者：文圣勇中国矿业大学

学位级别：硕士

深埋煤岩体在较高的地应力作用和地质活动的影响下自身存在大量的裂隙与节理、割理,在巷道掘进及工作面回采过程中,应力的重分布及回采动压会加剧煤岩体的变形破坏,影响巷道的稳定及工作面的安全回采。注浆加固是岩土工程中常用的加固... 详细信息

深埋煤岩体在较高的地应力作用和地质活动的影响下自身存在大量的裂隙与节理、割理,在巷道掘进及工作面回采过程中,应力的重分布及回采动压会加剧煤岩体的变形破坏,影响巷道的稳定及工作面的安全回采。注浆加固是岩土工程中常用的加固技术手段,可以有效提高加固对象的物理力学参数,提高岩土体的自承载力。本文以晋煤集团赵庄煤业为背景,针对破碎及裂隙煤岩体的注浆加固问题,通过试验研究、理论分析、数值模拟和现场工程试验等方法对煤岩体的注浆材料性能、加固效果、注浆参数影响因素、渗透与劈裂注浆共同作用机制等问题进行了研究,主要得出以下几点成果:(1)通过室内试验对普通水泥、粉煤灰水泥和超细水泥的流变性、稳定性和凝结硬化性能进行了研究。获得了各型水泥在不同水灰比及不同时间下的流变性、结石率和2 h析水率;获得了浆液结石体的全应力-应变曲线、弹性模量、强度值;根据超细水泥强度拟合曲线获得其3 d、7 d和28 d养护龄期下的强度变化经验公式;总结了结石体试件的破坏形式并分析了成因。(2)通过对煤样和泥岩试样进行基本物理力学试验,获得了煤和泥岩的单轴抗压强度、残余强度、抗拉强度、内聚力和内摩擦角等值。基于浆液材料试验和物理力学试验,对破碎和裂隙煤岩体进行了注浆加固试验,获得了不同破碎程度和浆液强度条件下各注浆加固体的应力应变曲线,并对其强度、弹性模量、变形规律和破坏模式等进行了分析研究,得到了浆液强度和煤岩体破碎程度对注浆加固体的影响规律、煤岩体注浆的合理浆液强度指标,分析研究了浆液结石体强度不同时其加固体的应力应变曲线形式及变形破坏规律。(3)基于牛顿流体运动规律对单裂隙中浆液的扩散规律与控制参数进行了研究;基于弹性力学理论计算了使注浆孔孔壁在浆液压力和地应力作用下发生劈裂破坏的注浆压力值;基于损伤断裂力学理论分析计算了使裂隙发生扩展的浆液压力值及裂隙扩展长度。采用Abaqus分别计算了巷道埋深、水平构造应力场、巷道尺寸等因素对巷道与工作面劈裂注浆所需注浆压力的影响规律,并根据计算结果分析了注浆孔在无注浆压力下的自动开裂范围;分析了不同条件下围岩劈裂与扩展所需注浆压力的关系。(4)针对赵庄矿回采工作面切眼易出现煤帮片帮和顶板冒落以及辅助巷道的变形破坏问题,利用Abaqus对其工作面与巷道注浆合理控制参数进行了计算,提出了巷道与工作面注浆加固的技术方案与建议。

关键词：注浆材料煤岩体注浆加固渗透注浆劈裂注浆

巷道顶板破碎围岩C-S等比双液注浆扩散机制与加固特性研究

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巷道顶板破碎围岩C-S等比双液注浆扩散机制与加固特性研究

作者：刘俊中国矿业大学

学位级别：硕士

我国部分地区的很多矿区存在着小煤矿开采对矿井优良资源产生经济、技术条件的制约。小煤矿破坏区遗留大量的优质煤炭资源,经小煤矿或上方采空区破坏后的煤层,很难继续回采,给国家煤炭资源以及生态环境带来严重的破坏。复采下分层时,由... 详细信息

我国部分地区的很多矿区存在着小煤矿开采对矿井优良资源产生经济、技术条件的制约。小煤矿破坏区遗留大量的优质煤炭资源,经小煤矿或上方采空区破坏后的煤层,很难继续回采,给国家煤炭资源以及生态环境带来严重的破坏。复采下分层时,由于顶板围岩破坏区域极其复杂,且分布无规律性,对穿越小窑破坏区的复采巷道支护具有很大难度。目前就破碎顶板围岩注浆加固形成的机制研究尚且不足,且注浆多采用水泥基类注浆材料,该类注浆材料凝结时间长、强度增加的慢,不利于注浆加固后巷道在短时间内掘进,造成矿井采掘工程接替紧张。为揭示水泥-水玻璃双液浆在破碎顶板围岩注浆加固中扩散机制及结构强化特性,本文以山西华晋韩咀煤业主采2煤层穿越小老窑顶板破碎区的复采巷道破碎顶板围岩为研究对象,综合采用以室内试验为主,结合理论分析和数值计算的方法对水泥-水玻璃双液浆在破碎煤岩体中的扩散机制以及加固特性进行研究,从而论证其对过采空区或顶板破碎区复采巷道破碎顶板围岩的加固效果。本文主要研究内容和获得的研究成果如下:(1)采用旋转粘度计测定不同水灰比及水玻璃浓度双液浆的表观粘度,黏度时变试验表明,双液浆表观粘度与时间成幂函数关系,双液浆表观粘度随时间的增大而增大;采用倒杯法,通过对临界值前后平均胶凝时间的比较,基于“浓浆稀液”的配比限定,得到W/C=0.4,V:V=3.5为决定其胶凝时间的临界配比;在临界配比的条件下,其28d抗压强度达到了13.03MPa,且其峰值应变为5.16%,即结石体表现出较强的抗变形能力。(2)利用自主设计的一维破碎煤岩体可视化等比双液注浆试验系统,揭示了等比双液渗透注浆过程中注浆压力、注浆速率、注浆量、页面上升速率等注浆参数与扩散半径、力学性能之间的影响规律及渗流变化阶段;基于MATLAB对不同扩散半径的孔隙充填分析,得到填充孔隙率满足先增大后减小的规律,即前端密实度大,后端密实度小;采用细观测试手段研究不同注浆压力及扩散半径的接触面结构形式,揭示了扩散半径及注浆压力对双液浆固结能力的影响程度;通过强度试验,揭示一维条件下,双液渗透注浆扩散半径及注浆压力对结构强化的影响程度。(3)利用自主设计的三维深埋等比双液注浆试验系统,揭示了等比双液渗透注浆在深埋条件下注浆压力、注浆量、注浆速率等注浆参数与扩散半径、力学性能之间的影响规律;结合一维数据进行比对分析,揭示了三维深埋状态对双液浆渗透注浆扩散半径及力学性能的影响规律。通过对其三视图数据化分析,揭示了扩散半径与注浆压力之间以及注浆压力与注浆量之间的幂函数关系。通过强度试验,揭示了三维深埋状态下,扩散半径及注浆压力对结构强化的影响程度。(4)在室内试验所得数据基础上,通过COMSOL数值计算的方法,在考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时变性的前提下,研究了三维单孔双液注浆注浆压力对扩散半径的影响以及三维双孔注浆注浆压力、注浆孔距对扩散半径及结构强化的影响。在此基础上,探究了三维单排群孔注浆注浆压力对扩散规律的影响程度以及三维双排群孔注浆注浆孔距对扩散规律及加固特性的影响程度。(5)结合实际过采空区分段超前预注浆加固方案,采用COMSOL数值计算的方法,就不同注浆分段的弱结构面位置及注浆分段之间相互影响程度进行揭示,分析论证破碎煤岩体顶板超前预注浆加固方案的可行性及加固效果。该论文有图96幅,表24个,参考文献102篇。

关键词：等比双液浆破碎顶板渗透注浆扩散距离注浆加固

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蒲河矿破碎围岩注浆加固技术研究

蒲河矿破碎围岩注浆加固技术研究

作者：魏秀杰辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

我国是一个资源消耗型大国,能源消费结构以煤炭为主体。随着经济的发展,煤炭开采强度和需求量越来越大,使巷道掘进与维护一直是煤矿安全生产的重点工作。目前较多的矿井,因开采时间长和受多次采动的影响,围岩稳定性差,在施工中常常表现... 详细信息

我国是一个资源消耗型大国,能源消费结构以煤炭为主体。随着经济的发展,煤炭开采强度和需求量越来越大,使巷道掘进与维护一直是煤矿安全生产的重点工作。目前较多的矿井,因开采时间长和受多次采动的影响,围岩稳定性差,在施工中常常表现出顶板冒落,巷道变形量大,底鼓等现象,巷道需要维修后才能继续使用。对破碎围岩状态下的巷道进行支护,已经成为目前煤矿面临的主要问题之一。论文以蒲河矿西翼北运输巷道为研究对象,通过理论分析、室内测试、数值模拟的方法,针对全煤巷道受地质构造、多次采动等因素的影响,巷道存在围岩稳定性差、变形量大、底鼓严重等现象,提出了注浆加固方案进行补强支护,对注浆材料的黏度、流动性、析水性、收缩性进行了测试,并结合现场围岩进行渗透注浆浆液扩散半径试验,确定了全断面注浆加固方案。每个断面8个注浆孔,孔深为3000mm,孔径42mm,孔间距为2200mm,排距为2400mm,确定以水泥为主的无机注浆材料,水灰比为0.5:1,注浆压力不大于3MPa。对注浆加固后围岩应力、塑性区分布、变形情况进行数值模拟,结果表明注浆后围岩拉应力下降21.94%,压应力下降17.23%,塑性区半径减少75%,变形量降低92.55%。注浆加固方案在运输巷道现场进行工业试验。采用钻孔窥视仪对围岩钻孔探测,注浆后围岩内壁光滑、密实,浆液充填了围岩内的裂隙;对加固段巷道锚杆(索)受力、围岩表面位移进行监测,将监测数据与未注浆加固段进行对比表明,注浆加固方案有效控制了巷道变形,提高了围岩稳定性,减少了维修次数。论文研究成果可为相似条件下的巷道围岩控制提供参考。该论文有图52幅,表10个,参考文献68篇。

关键词：破碎围岩注浆材料渗透注浆扩散半径全断面注浆

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不同地质条件下真空注浆模拟试验研究

不同地质条件下真空注浆模拟试验研究

作者：申国磊中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

注浆技术作为一种行之有效的地基(地层)处理方法。目前在土木、交通、水利、矿山等许多领域中得到了广泛的应用。然而实际工程中,不少被注浆地层含细砂或粉砂土层,采用普通的静压等传统注浆工法很难实现有效灌注或无法实现设计扩散半径... 详细信息

注浆技术作为一种行之有效的地基(地层)处理方法。目前在土木、交通、水利、矿山等许多领域中得到了广泛的应用。然而实际工程中,不少被注浆地层含细砂或粉砂土层,采用普通的静压等传统注浆工法很难实现有效灌注或无法实现设计扩散半径。针对这种情况,最近提出了一种新的注浆方法,真空注浆法。真空注浆即是将真空技术应用于注浆工程,在土体中设置真空井抽吸被注浆土体中的空气,使土体产生负压,增加真空井与注浆孔之间的孔压差,达到在不增加外部静压力的情况下就能达到形成孔压差的目的,进而使浆液注入到土体中。本文通过室内三维真空注浆模拟试验及真空定向注浆模拟试验,对真空注浆在无气流流动和有气流流动两种工况下进行了研究。本文的主要研究内容及取得的几点认识包括：(1)首先针对真空注浆的特点,设计并研制室内模拟试验模型及其密封方法。(2)通过三维真空注浆模拟试验,得到了不同地质条件下在不同真空度时浆液的扩散半径,总结出了浆液的扩散规律及注浆流量的变化规律。并运用Maag公式计算得出浆液扩散半径的理论值,通过浆液扩散半径实际值与理论值的对比,发现一般情况下,实际扩散半径均比理论扩散半径小;同种真空度条件下,随着地层渗透系数的增大,扩散半径理论值与实际值之间的差值在增加。(3)通过真空度测试可知,真空度的分布规律对真空定向注浆效果影响较大,在实际工程中,可以通过设置进气井,改变土体内负压区边界及真空场分布,进而影响浆液的扩散,以达到需要的定向注浆效果。(4)通过真空定向注浆模拟试验,得到了注浆管两侧扩散半径随着注浆真空度的变化规律,真空定向注浆扩散效果随着真空度的增加越来越明显。

关键词：渗透注浆真空定向注浆模型试验

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注浆抬升的数值模拟及抬升规律研究

注浆抬升的数值模拟及抬升规律研究

作者：董葳北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：注浆抬升是采用注浆的方式加固软弱松散地层,通过浆液的注入,借助浆液传递注浆压力,从而使被注土体产生向上位移。本文在前人研究成果的基础上,探讨总结了劈裂注浆、压密注浆、渗透注浆的注浆力学及浆液扩散理论,研究了三种注浆... 详细信息

摘要：注浆抬升是采用注浆的方式加固软弱松散地层,通过浆液的注入,借助浆液传递注浆压力,从而使被注土体产生向上位移。本文在前人研究成果的基础上,探讨总结了劈裂注浆、压密注浆、渗透注浆的注浆力学及浆液扩散理论,研究了三种注浆方式之间的区别,并采用数值模拟的方式,深入研究了注浆的力学特性、不同因素对注浆抬升效果的影响、不同因素对注浆最大抬升量和地表位移变化的影响规律。其主要内容如下：(1)在广泛研究中外文献的基础上,总结了注浆工程的理论研究现状,探讨了注浆抬升机理,明确了不同注浆形式下,土体的破坏形式,并说明了压密注浆和渗透注浆极限压力的存在。(2)采用数值模拟的手段,对劈裂注浆、压密注浆、渗透注浆进行了数值计算,通过对模拟过程进行注浆力学特性分析,确定数值模拟结果的合理性。通过对数值计算结果进行分析,确定了不同注浆方式下土体的破坏模式、土体内孔隙压力和小主应力的变化规律、注浆引起土体内部位移的传递方式以及注浆引起的土体内体积应变变化规律,明确了注浆的力学特性、加固机理以及三种注浆形式之间的联系。(3)对不同注浆形式的抬升模式进行了大量计算,得出了注浆深度、地层弹性模量、注浆压力等不同因素对注浆抬升量的影响规律以及对注浆引起的地表抬升范围的影响规律。

关键词：劈裂注浆压密注浆渗透注浆注浆抬升数值模拟

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注浆技术在路基加固中的机理及应用研究

注浆技术在路基加固中的机理及应用研究

作者：王丽娜山东大学

学位级别：硕士

随着我国道路交通事业的迅速发展,各级道路在运营过程中面临的养护维修、加固改建等任务日益繁重,注浆技术在道路路基加固中获得了越来越广泛的应用。但由于注浆工程具有隐蔽性、浆液流动涉及的因素众多、地基内部土体结构复杂等原因,... 详细信息

随着我国道路交通事业的迅速发展,各级道路在运营过程中面临的养护维修、加固改建等任务日益繁重,注浆技术在道路路基加固中获得了越来越广泛的应用。但由于注浆工程具有隐蔽性、浆液流动涉及的因素众多、地基内部土体结构复杂等原因,导致现有注浆理论滞后于工程应用,尤其是注浆技术在路基加固中的机理和应用缺乏较为系统的研究结论,难以有效指导施工。基于此,本文在大量理论分析和文献研究的基础上,针对现有研究存在的问题和不足,开展了注浆技术在路基加固中的机理和应用研究。本文以水泥浆液和砂土体为研究对象,采用自主设计的试验装置开展了室内试验,并结合多种数值分析工具,对水泥浆液在砂土体中的扩散形式、扩散规律及加固效果等进行了系统的分析,得到了一系列的规律和结论。(1)基于现有可注性理论,通过砂土中水泥浆液的渗透性试验,研究了砂土的粒径、浆液水灰比、注浆压力对于砂土可注性的影响规律,通过对数据结果进行分析,提出了水泥浆液在路基加固中适用的范围。(2)通过室内注浆试验探究了浆液扩散形式以及注浆压力、浆液水灰比对浆液扩散范围的影响规律,结合试验结果建立了假定的注浆结石体数学模型并提出了主要加固区和次要加固区的概念,通过回归分析建立了浆液扩散距离与注浆压力、水灰比之间的定量关系,并结合有限元软件对室内试验设置的合理性进行了简单的验证。(3)在水泥处治砂土试验的结论基础上,并基于一定的假定,对砂土路基中注浆的加固效果进行了研究,通过分析得到了路基土中的最佳掺灰量范围,同时得到了注浆后路基强度早期的增长规律,证实了注浆技术能够满足道路维修加固中早期开放交通的需求;利用BISAR软件分析了注浆加固深度对于路基加固效果的影响规律,得到了较为经济合理的加固深度范围。(4)以S331公路K61+870～K61+980段病害注浆处治实际工程为依托,对注浆加固前后的路表回弹弯沉进行测量,验证了注浆处治技术对于路基的加固效果。

关键词：路基砂土体渗透注浆扩散规律室内试验

水泥—粉煤灰—黏土浆材配比优化及室内注浆试验研究

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水泥—粉煤灰—黏土浆材配比优化及室内注浆试验研究

作者：张联志湖南科技大学

学位级别：硕士

随着我国基础设施建设和城镇化的飞速发展，岩土工程技术也越来越应用到各项建设中。由于地下的岩土体，本身的各向异性和复杂的地层、地质构造，所以对岩土体的加固措施也愈发多样化。其中，目前常用的方法为注浆工艺。这种处理方法与... 详细信息

随着我国基础设施建设和城镇化的飞速发展，岩土工程技术也越来越应用到各项建设中。由于地下的岩土体，本身的各向异性和复杂的地层、地质构造，所以对岩土体的加固措施也愈发多样化。其中，目前常用的方法为注浆工艺。这种处理方法与其他方法相比具有施工设备简单、规模小、占地面积小、工期短见效快等特点。注浆材料的选择是整个注浆技术的关键环节，对整个过程有着根本的影响作用。因此，只有掌握注浆材料的工程性能才能在注浆工程中达到需要的注浆效果。本文在前期文献查阅和室内试验的基础上，重点研究了水泥—粉煤灰—黏土复合浆材的基本工程性能，并以此为基础，通过自制的模型进行注浆试验和回归分析，得出了注浆参数之间的关系，并在实践中得到了一定的检验。主要研究内容如下：1、通过大量的文献查阅和实地勘察，重点研究和分析了注浆材料的国内外研究状况并归纳了理想注浆材料的一些特点，作为研究确定注浆材料的基础;以渗透注浆中达西渗流定律理论为前提，对不同流型浆液进行分类，主要分析了渗透规律中的柱形和球形扩散机理。2、研究分析了组成水泥—粉煤灰—黏土复合浆液的各组分材料的性能和固结反应机理，以使其达到各材料充分发挥优良特性的目的。3、在分析研究了水泥、粉煤灰、黏土、激发剂等各组分材料对混合浆液性能的影响的基础上，通过正交试验，重点研究了不同配比下的浆液析水率、粘度、结石率和不同龄期的强度的影响关系，并最终得出了浆液的最优配比。4、自行研制了简单实用、易于控制的注浆试验装置。按照最优配比将各组分材料混合均匀搅拌，通过均匀性试验设计，以砂土层为注浆介质进行模拟注浆试验。并通过回归分析得出了扩散半径R和结石体强度P与复合浆液的注浆压力F、注浆时间T以及浆液水灰比W之间的定量关系以及相互之间的影响程度。5、以贵州省仁赤高速公路架子头隧道为工程背景，结合室内试验的相关参数，在现场试验的基础上，采用渗透注浆方式完成了对隧道塌方处的处理。现场监控量测结果显示，位移变化均在允许范围之内，达到了加固处理的目的。

关键词：水泥—粉煤灰—黏土模型试验最优配比回归分析渗透注浆

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厚卵砾漂石地层中注浆止水材料的研究与应用

厚卵砾漂石地层中注浆止水材料的研究与应用

作者：朱雯蕾北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：注浆作为施工过程中的止水、加固措施已经在交通、水利、建筑等工程领域内普遍应用;卵砾漂石地层具有孔隙率大、分布不均匀且硬度大的特点,属于北京地区的典型地层,注浆过程中存在浆液扩散不均匀、注浆效果不易控制的特点及难点... 详细信息

摘要：注浆作为施工过程中的止水、加固措施已经在交通、水利、建筑等工程领域内普遍应用;卵砾漂石地层具有孔隙率大、分布不均匀且硬度大的特点,属于北京地区的典型地层,注浆过程中存在浆液扩散不均匀、注浆效果不易控制的特点及难点。本文通过实验室配比试验、理论推导、数值模拟、模型试验、现场原位试验的方法,对适应于卵砾漂石地层的注浆浆液的进行创新改进,并对其渗透规律进行了分析研究,主要完成以下工作：(1)研究更适用于卵砾漂石地层的新型CD-SCA浆液和PC-SCA浆液,并通过实验室试验对其不同配比情况下的初凝时间规律进行了总结分析;(2)将具有粘时变性的新型浆液从在土层中的渗透系数不断随时间变化的角度出发,结合现有注浆理论,探讨其渗透规律;(3)应用二维颗粒流软件PFC2D对卵砾漂石地层中的渗透注浆扩散规律以及注浆参数对注浆效果的影响作用进行了研究分析;(4)利用模型试验和现场原位试验相结合的方式,检验了新型浆液在止水效果各方面的改善作用。通过上述研究,取得以下成果：(1)新型CD-SCA浆液相比较与传统C-S浆液在扩散半径、扩散均匀性、混合率和耐久性等方面都有提高,并且水灰比对其固结时间呈线性影响;新型PC-SCA浆液可以迅速止水,且短期内止水效果较好,其固结时间随着磷酸浓度的增大则是先减小再增大。(2)粘时变性浆液的渗透系数随着时间的增大而减小,相比较于牛顿流体要在相同时间内达到一定的半径,就需要增加注浆压力,同样,在保持一定的压力下,就需要增加注浆时间。(3)牛顿流体在卵砾漂石地层中的渗透注浆过程可以分为迅速扩展阶段、减速扩展阶段、稳定阶段三个阶段,浆液渗透率、注浆孔径对浆液的扩散半径和土体孔隙率影响较大,注浆压力只对土体孔隙率产生较大影响。

关键词：卵砾漂石地层粘时变浆液渗透注浆 PFC2D数值模拟

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幂律型浆液扩散半径研究

岩土力学 2005年第11期26卷 1803-1806页

作者：杨秀竹雷金山夏力农王星华中南大学土木建筑学院

基于广义达西定律及球形扩散理论模型,推导出幂律型浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径计算公式。分析了注浆压力差随浆液流变参数c和n及浆液扩散半径的变化情况。注浆压力差随流变参数c,n分别呈线性和非线性变化,浆液扩散半径增... 详细信息

基于广义达西定律及球形扩散理论模型,推导出幂律型浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径计算公式。分析了注浆压力差随浆液流变参数c和n及浆液扩散半径的变化情况。注浆压力差随流变参数c,n分别呈线性和非线性变化,浆液扩散半径增大所需的注浆压力差也相应的增加,增长的幅度受浆液流变参数的影响显著。

关键词：幂律型浆液扩散半径渗透注浆砂土地基