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裂隙岩体单元注浆扩散规律及其强度演化模拟试验研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：张二蒙刘浪许延春费宇耿济世蔺亚兵西安科技大学地质与环境学院西安科技大学中国矿业大学(北京)能源与矿业学院

为研究含粗糙裂隙岩体充填程度对改造后岩体强度的影响机制，采用数值实验方法，分析了具有JRC参数表征的粗糙裂隙内浆液扩散规律，并基于裂隙浆液典型时刻充填特征，开展了考虑不同粗糙度和充填度的改造岩体单轴压缩实验(UCS)与常法相... 详细信息

为研究含粗糙裂隙岩体充填程度对改造后岩体强度的影响机制，采用数值实验方法，分析了具有JRC参数表征的粗糙裂隙内浆液扩散规律，并基于裂隙浆液典型时刻充填特征，开展了考虑不同粗糙度和充填度的改造岩体单轴压缩实验(UCS)与常法相刚度(CNS)条件下直剪实验，形成了浆液充填规律与改造岩体强度关系串联分析方法。结果表明：(1)粗糙裂隙内浆液流动具有层/紊流特征，平滑裂隙内浆液受裂隙壁面剪切力较小，易维持层流状态；粗糙裂隙对浆液的流动起到控制作用，靠近壁面处出现涡流。(2)改造岩体的抗压强度与裂隙充填度呈现正比关系；完全充填裂隙塑性区由双X型逐渐变为单X形态；裂隙未充填部分边界无有效约束，最大最小主应力差值较大。(3)浆液凝固后，由于黏聚力与空间侵占共同作用，限制了裂隙凸台相对滑动，增加了裂隙初始摩擦力与接触面积，改造岩体抗剪强度提高。(4)CNS边界条件下，剪切应变的增加，导致应力集中程度增加；注浆体内新生微裂纹发育速度随剪切应变增加逐步提高，注浆体应力分布特征与内部微裂纹发育规律一致。研究成果为分析裂隙岩体内部浆液扩散规律与改造后岩体强度演化提供试验依据。

关键词：注浆改造岩体浆液扩散改造岩体强度数值仿真

考虑黏度时空分布的动水扩散数值模拟与试验研究

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山东大学学报(工学版) 2024年

作者：王振军刘人太张庆松惠冰陈孟军马晨阳李鸿钊山东省交通科学研究院山东大学岩土与结构工程研究中心

为研究新型岩溶管道注浆材料（WIS新型注浆材料）在动水条件下的扩散规律，从注浆材料自身的物理化学性质出发，通过流变性能试验研究WIS新型注浆材料的浆液流型，建立基于黏度时空分布的函数方程，阐述混合物浆液在管道内运移的动态演... 详细信息

为研究新型岩溶管道注浆材料（WIS新型注浆材料）在动水条件下的扩散规律，从注浆材料自身的物理化学性质出发，通过流变性能试验研究WIS新型注浆材料的浆液流型，建立基于黏度时空分布的函数方程，阐述混合物浆液在管道内运移的动态演化过程；借助COMSOL Multiphysics 数值模拟软件计算在不同注浆速率、管道直径、浆液粒径参数下浆液扩散形态随时间的变化特征，并对比分析模拟试验中管道内速度场的演化规律。结果表明：WIS新型注浆材料为黏度时空变化型浆液；黏度时空分布状态下浆液的扩散运移过程中质点黏度不断增大，每相邻两个浆液质点的黏度值随注浆扩散均各不相同，浆液质点的间距不断减小，扩散距离也不断减小；数值模拟计算结果显示WIS新型注浆材料的扩散过程具有明显的非对称性，顺水扩散距离均随注浆扩散时间增大而增大，扩散距离与注浆速率成负相关关系，与管道直径、浆液粒径成正相关关系；注浆口下游管路流速与注浆扩散时间存在显著的负相关关系；数值模拟计算结果与模拟试验结果的速度场演化规律具有一致性，同时验证了在误差允许的范围内数值模拟规律的合理性。研究成果可为岩溶管道突涌水环境下的注浆参数设计提供可靠的理论依据及参考价值。

关键词： WIS新型注浆材料动水注浆黏度时空变化浆液扩散数值仿真

考虑浆液渗流–岩体变形耦合作用的裂隙注浆模拟试验系统研制与应用

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岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 878-889页

作者：翟明磊李振华杜锋白海波王文强河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 河南理工大学河南省矿井水害防控及水资源利用工程技术研究中心河南焦作454000 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为研究裂隙岩体注浆过程中的浆液渗流–岩体变形耦合作用,自主研制可视化变开度裂隙注浆模拟试验系统。该系统主要由浆液供给设备、注浆模拟设备和数据监测设备组成,具有良好密封性且实现了注浆压力作用下裂隙开度变化,可模拟不同开度... 详细信息

为研究裂隙岩体注浆过程中的浆液渗流–岩体变形耦合作用,自主研制可视化变开度裂隙注浆模拟试验系统。该系统主要由浆液供给设备、注浆模拟设备和数据监测设备组成,具有良好密封性且实现了注浆压力作用下裂隙开度变化,可模拟不同开度裂隙在注浆流量、浆液水灰比和侧向压力等多源因素影响下的浆液流动过程,并可用于气体渗流–岩体变形耦合作用机制研究。利用该试验系统开展浆液渗流–岩体变形耦合作用注浆模拟试验,结果表明:裂隙开度增加削弱了注浆压力对裂隙的扩张作用,使浆液在流动过程中的能量损耗减少;水灰比减小导致浆液渗流–岩体变形耦合作用显著增强;侧向压力增大导致浆液渗流–岩体变形耦合作用程度减弱。灰色关联分析法结果表明,影响浆液渗流–岩体变形耦合作用的因素敏感程度顺序为注浆流量>侧向压力>浆液水灰比>裂隙开度。该试验系统的研制可为研究裂隙含水层注浆引起岩体变形等流固耦合问题和工程应用提供新的试验手段。

关键词：岩石力学岩体裂隙浆液扩散岩体变形可视化模拟试验

高温富水环境下裂隙岩体注浆试验装置研制及浆液扩散规律

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煤炭学报 2022年第7期47卷 2582-2592页

作者：余永强张纪云范利丹王树仁徐峰杨杰任连伟河南理工大学土木工程学院河南焦作454003 河南省地下空间开发及诱发灾变防治国际联合实验室河南焦作454003

为研究隧道工程高温裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,以大瑞铁路高黎贡山隧道破碎围岩为研究对象,研制了一套高温富水环境下破碎岩体注浆的试验装置。以粒径2~5 mm的堆积岩块模拟破碎地层,通过对试验装置施加反向作用力实现模拟地层压缩变形... 详细信息

为研究隧道工程高温裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,以大瑞铁路高黎贡山隧道破碎围岩为研究对象,研制了一套高温富水环境下破碎岩体注浆的试验装置。以粒径2~5 mm的堆积岩块模拟破碎地层,通过对试验装置施加反向作用力实现模拟地层压缩变形,使各组试验的地层孔隙率误差控制在0.5%以内。运用均匀设计法构建开展了多组裂隙注浆试验,分析了地层温度、单位时间流量、水灰比等因素对浆液扩散规律的敏感性,系统讨论了地层温度作用下,随单位时间注浆流量变化浆液结石体形状的变化规律。研究结果表明:研制的试验装置可满足高温富水环境下裂隙岩体的注浆试验,模拟破碎地层压缩变形量和孔隙率的试验值与理论值的误差均小于0.1%,能够实现高温水的循环与恒温作用时间控制,验证了模型的合理性。发现地层温度、水灰比和注浆流量对扩散范围的影响并非线性关系,而是多元幂函数关系,构建了对应的浆液扩散范围求解式,并对影响浆液扩散范围的参数进行单因素和多因素分析。本试验条件影响浆液扩散范围的主要因素是单位时间流量,地层温度最小,水灰比居中,且水灰比和地层温度对浆液扩散范围的影响差距不大。浆液的扩散形式以充填压密为主,随单位时间流量从小到大变化,结石体形状从饼状逐渐过渡到锥形体,再到类似圆球车阻石的形状,随流量的增大球体直径的增幅大于饼状结构直径,最后,近似呈完整球形结构。

关键词：注浆装置浆液扩散高温富水裂隙岩体模型验证

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裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究

煤炭科学技术 2022年第7期50卷 233-243页

作者：尚宏波王皓中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

华北型煤田深部开采过程中受底板水害威胁愈发严重,水平孔注浆技术是治理此类水害的主要手段,其中浆液扩散规律的研究对注浆工程设计与施工具有重要意义。现有研究主要针对垂直孔注浆水平裂隙中浆液的扩散问题,当工程中采用水平孔注浆... 详细信息

华北型煤田深部开采过程中受底板水害威胁愈发严重,水平孔注浆技术是治理此类水害的主要手段,其中浆液扩散规律的研究对注浆工程设计与施工具有重要意义。现有研究主要针对垂直孔注浆水平裂隙中浆液的扩散问题,当工程中采用水平孔注浆时浆液的扩散规律异于垂直孔。为此开展裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究,将裂隙岩体中的孔裂隙系统等效为开度相同的裂隙,构建了等效裂隙岩体模型。选取等效单裂隙建立了水平孔注浆浆液扩散力学模型,推导了任意倾角的等效单裂隙在考虑浆液自重时浆液扩散区内的压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及扩散距离的理论关系式。结果表明:采用COMSOL建立水平孔注浆垂直裂隙三维数值计算模型,分别对考虑重力和未考虑重力的2种工况进行计算分析,未考虑重力时浆液的扩散形态呈轴对称圆形扩散,考虑重力时浆液优先沿着重力方向进行扩散。在重力的影响下,浆液扩散过程中地下水对浆液分散与搬运作用更为强烈。重力对水平孔注浆浆液扩散形态、扩散距离及注浆终压影响较大,水平孔注浆工程中不能忽视重力对浆液扩散规律的影响。通过对比理论分析与数值计算结果,两者得到的注浆压力与注浆时间、注浆终压与扩散距离的变化趋势基本一致,理论与数值计算结果的误差控制在10%左右,进一步验证了所建立的水平孔注浆浆液扩散力学模型的正确性。研究成果能够为水平孔注浆工程中注浆终压、注浆方式及扩散距离的设计提供科学依据。

关键词：水平孔注浆扩散规律等效裂隙浆液扩散重力

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破碎围岩巷道锚注支护参数优化及应用

煤矿安全 2024年第3期55卷 181-189页

作者：刘森虎宁建国史新帅张文刘尚明解小光山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东新河矿业有限公司山东济宁272200 枣庄矿业集团新安煤业公司山东微山277500

针对新河矿业730采区南部轨胶联络巷围岩松散破碎、变形严重情况,利用Comsol Multiphysics有限元分析软件探讨了不同注浆参数对浆液扩散的影响;并在此基础上,研究不同注浆锚索布置形式对注浆效果的影响。结果表明:浆液扩散半径会随着注... 详细信息

针对新河矿业730采区南部轨胶联络巷围岩松散破碎、变形严重情况,利用Comsol Multiphysics有限元分析软件探讨了不同注浆参数对浆液扩散的影响;并在此基础上,研究不同注浆锚索布置形式对注浆效果的影响。结果表明:浆液扩散半径会随着注浆压力增大、注浆时间延长而逐渐增大,每增大1 MPa注浆压力浆液扩散半径平均增长率为30.95%,每延长1 min注浆时间,浆液扩散半径平均增长率为25.67%;注浆锚索的布置形式决定了注浆加固圈的范围,当采用“六边形”布置方式时,其注浆加固圈范围相对较大,且顶板两侧不会出现漏浆的情况。基于数值模拟结果,确定了新河矿业南部轨胶联络巷锚注支护的注浆压力为4 MPa、注浆时间为8 min,注浆锚索布置方案为“六边形”式。工程应用表明:优化后的注浆参数有效地控制了巷道围岩的变形与破坏,取得了良好的工程效果,同时也为此类巷道的注浆加固提供了有效依据。

关键词：破碎围岩锚注支护注浆加固围岩控制数值模拟浆液扩散注浆锚索

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不同渗透率灰岩裸孔注浆浆液扩散特性

西安科技大学学报 2023年第4期43卷 667-674,742页

作者：陈军涛朱君张呈祥贾东秀张毅傅子群刘磊王恩超山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018 山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿山东德州251105 济宁市能源综合执法支队山东济宁272000

定向钻孔注浆是防治煤层底板水害的重要技术。基于邱集煤矿水文地质特征,利用COMSOL Multiphysics中达西两相流模块建立灰岩岩溶裂隙含水层的钻探裸孔注浆模型,开展顺层分支裸孔注浆浆液扩散的模拟研究,分析不同渗透率灰岩注浆裸孔浆液... 详细信息

定向钻孔注浆是防治煤层底板水害的重要技术。基于邱集煤矿水文地质特征,利用COMSOL Multiphysics中达西两相流模块建立灰岩岩溶裂隙含水层的钻探裸孔注浆模型,开展顺层分支裸孔注浆浆液扩散的模拟研究,分析不同渗透率灰岩注浆裸孔浆液扩散特性。结果表明:随着时间的推移,浆液扩散呈孔口位置扩散距离远、裸孔末端扩散距离近的特征;渗透率增加3.5×10^(-12)m^(2)时,浆液扩散面积增加300~500 m^(2),注浆孔口的浆液扩散形态差异明显;渗透率为8.5×10^(-12)m^(2)时,浆液在孔口横向扩散距离为45 m;渗透率为1.5×10^(-12)m^(2)时,浆液在孔口横向扩散距离仅为20 m,浆液扩散形态沿裸孔呈细长状。结合工程实践分析表明,在渗透率为1.2×10-12,5.4×10^(-12)m^(2)和8.9×10^(-12)m^(2)附近的徐灰岩溶裂隙区域,获得的浆液实际扩散距离稍小于浆液模拟扩散距离,主要是因为实际岩溶裂隙开度、粗糙度不一等原因所致,验证了模拟研究结果的准确性。研究结果为黄河北煤田类似水害问题的治理和定向钻孔高质量精准注浆技术提供了科学参考。

关键词：渗透率定向注浆注浆裸孔岩溶裂隙浆液扩散

岩体单一裂隙注浆物理模型研发及浆液扩散研究

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岩体单一裂隙注浆物理模型研发及浆液扩散研究

作者：章檀安徽理工大学

学位级别：硕士

岩体裂隙注浆是治理大多数深埋矿井及隧道常年涌突水问题的有效技术方法,但由于岩体裂隙存在状态十分复杂,岩体裂隙注浆理论研究存在诸多不足。其中由于岩体裂隙表面具有不规则的粗糙形态,裂隙在变形过程中粗糙表面凸起部分接触咬合,形... 详细信息

岩体裂隙注浆是治理大多数深埋矿井及隧道常年涌突水问题的有效技术方法,但由于岩体裂隙存在状态十分复杂,岩体裂隙注浆理论研究存在诸多不足。其中由于岩体裂隙表面具有不规则的粗糙形态,裂隙在变形过程中粗糙表面凸起部分接触咬合,形成了局部“岛状”低水力开度区,阻碍浆液扩散与胶凝过程,然而目前对此类“岛状”低水力开度的研究十分匮乏,严重制约了岩体裂隙注浆扩散机制的解译与分析。针对当前深部高应力地区,裂隙面变形过程中咬合作用强烈,常导致局部凸起闭合后形成“岛状”低水力开度区,对裂隙面的水力性质具有显著控制作用,注浆是深埋碎裂岩体加固与防渗的重要技术手段。本文以金川矿区原生及工程水文地质条件为工程研究背景,研发并成功制作了模拟岩体裂隙注浆的模型试验平台及压力监测系统,以室内模型试验和数值模拟为研究手段,研究了在动水环境下浆液扩散规律,得出了以下主要研究成果:1.论述了金川矿区原生及工程水文地质条件,分析了深部高应力地区应力场和渗流场条件,为注浆工程施工及研究提供了基础参考资料。2.针对金川矿区深部碎裂岩体裂隙基本特征和岩体裂隙注浆浆液扩散模型的分析。研发了模拟岩体裂隙注浆的模型试验平台及压力监测系统。该装置能够最大程度的模拟真实岩体裂隙面条件,可自主调节、反复使用并满足多种试验目的。3.根据模拟岩体裂隙注浆模型试验平台及压力监测系统设计概念,制作了大尺寸裂隙模拟试验平台物理模型,进行了在动水环境下的注浆浆液扩散研究。4.采用COMSOL Multiphysics软件进行了室内试验对比数值模型模拟,分析了在动水环境下光滑单一裂隙浆液扩散。5.在动水环境下单一裂隙注浆的基础上,使用COMSOL Multiphysics软件进一步建立含“岛状”低水力开度单裂隙模型,开展了在动水环境下浆液扩散数值模拟研究。对比分析了光滑和含“岛状”低水力开度单裂隙注浆过程中的顺水流方向扩散半径、渗流速度和渗流压力,研究了物理力学开度、水流流速、注浆速率、“岛状”低水力开度区域有效半径等因素对浆液扩散的影响程度。图[57]表[10]参考文献[97]

关键词：岩体裂隙注浆动水环境浆液扩散水力开度

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铁路注浆工程中浆液扩散规律研究

铁道建筑 2022年第6期62卷 138-142页

作者：孙宏伟中国铁路设计集团有限公司天津300308

基于自主研发的超大规模土颗粒-浆液动力耦合作用的并行流固耦合仿真分析程序,分析了铁路路基填料介质条件和注浆参数对浆液扩散半径的影响规律,量化揭示了浆液在不同类型填料介质中的扩散机制,建立了浆液扩散量化计算模型。基于自主研... 详细信息

基于自主研发的超大规模土颗粒-浆液动力耦合作用的并行流固耦合仿真分析程序,分析了铁路路基填料介质条件和注浆参数对浆液扩散半径的影响规律,量化揭示了浆液在不同类型填料介质中的扩散机制,建立了浆液扩散量化计算模型。基于自主研发的高压变频注浆模型试验装置进行室内试验,验证了砂土介质中浆液扩散量化计算模型的正确性。该模型可用于指导工程设计与注浆加固方案优化,为实际工程中注浆范围、注浆量的确定提供理论基础。

关键词：铁路工程注浆过程数值模拟模型试验浆液扩散