大流量岩溶管道涌水封堵机理与方法研究

发布时间：2020-10-23 00:37

　　 岩溶地区地下岩溶管道、溶洞及裂隙发育,地下工程开挖过程极易诱发突涌水灾害。其中,大流量岩溶管道的涌水致灾性强,封堵治理难度极大,已成为地下工程建设中的重大难题与挑战,也是亟需解决的关键科学问题。本文通过理论研究、实验室实验、数值分析和现场应用相结合的方法,研究了岩溶地区大流量岩溶管道的控流降速与注浆封堵机理,提出了大流量岩溶管道涌水的成套封堵治理方法,主要成果成功应用于国内最大的凹陷式石灰石矿山岩溶涌水治理。主要研究内容和成果如下:(1)通过对岩溶管道涌水特征进行分析,概化了岩溶管道型涌水模型;基于水击现象及水力学机理,在大流量非恒定流方程基础上建立了管道涌水的控流降速模型;通过推导管道型涌水运动方程,提出了控流降速压强的计算公式,从而揭示了控流降速机理,形成了岩溶管道涌水控流降速方法。(2)开展了管道型涌水控流降速室内试验,获得了管道内流体流速、压力与孔口控流的变化规律。试验表明:阀门开度与控流后管道内水流速之间具有指数函数关系式,即v= 0.1743e2.5543d,控流对管道内水流速度具有显著的降低效果。结合Comsol数值分析,开展了大流量管道涌水控流降速过程的数值模拟分析,进一步验证了控流降速的有效性。(3)根据浆料粘度的时变特性,分析了水泥浆和水泥基速凝浆料的理化性质,推导了一维管道中牛顿型浆液与宾汉姆型浆液的扩散方程,建立了一维管道注浆量与浆液扩散过程敏感参数的解析表达式,并开展了不同注浆参数下一维管道注浆量研究;建立了考虑典型浆液的浆液粘度时变性的浆-水两相流水平集数值计算方法,开展了动水管道注浆扩散数值分析研究,揭示了大流量岩溶管道型涌水注浆封堵机理。(4)考虑钻孔信息、连通试验、抽水试验等信息,提出了岩溶凹陷式矿山径流场分区依据,运用典型体元原理对各计算分区进行赋值,建立了岩溶凹陷式矿山地下水渗流场分析方法;结合广西华润水泥河景岩溶凹陷式矿山径流带数值模拟分析,研究了不同时期岩溶矿山地下水渗流场特征,得到了矿山地下水水头、流线、流速等信息的分区与分布规律。验证了在矿山径流带区域施作非连续帷幕截流封堵的可行性,对比分析了非连续帷幕实施前、后矿区地下水流场变化特征,揭示了岩溶地区非连续帷幕的封堵机理。结果表明:施作非连续帷幕后,帷幕外地下水位提高,靠近矿坑涌水速度下降,径流带明显减弱,岩溶地区治水实施非连续帷幕具有较强的可行性和显著的封堵效果。(5)提出了“非连续帷幕截流+关键过水通道探查+止浆垫控流降速+联合注浆封堵+治理效果评价”的整套岩溶管道涌水系统封堵方法。结合物探、钻探与水文示踪试验等方法,可有效确定非连续帷幕封堵位置,实现岩溶过水主通道靶域精确锁定;通过设置控流降速止浆垫,可有效降低管道内水流速度,大幅提高注浆封堵过程中浆液留存率;研发了适用于大流量岩溶管道抗分散的新型注浆材料,通过流量与压力控制优化了注浆封堵工艺,结合多孔联合注浆技术,可有效封堵大流量高流速岩溶管道涌水径流通道。(6)研究成果成功应用于国内最大凹陷式石灰石矿山-广西华润水泥(平南)公司河景石灰石矿山采坑特大涌水点封堵(单点涌水量71200 m3/d),总减水量84300 m3/d,确保了该矿山的正常安全生产,产生了显著的经济效益,形成了岩溶地区凹陷式矿山开采涌水综合治理理论技术体系,对类似工程具有重要的指导和借鉴意义。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD745
【部分图文】：

图１－２技术路线图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ?ｒｏｕｔｅ??．４．３创新点??（１）推导了大流量高流速非恒定流方程，建立了岩溶管道涌水控流降速制了管道型动水室内控流降速试验装置，开展大流量管道控流降速室内试过试验获得了孔口控流与管道内流速、压力关系规律，揭示了控流降速机

需结合工程具体情况，针对特定的岩溶地下水类型和基本特征，提出针对性的治??理方法。可根据岩溶地下水的的储存形式将其分为裂隙、溶隙、脉管、管道、溶??洞、暗河等多种类型［１６＜Ｍ６２］，如图２－１所示。??（１）

通道主要是岩溶管道，涌水压力是指有水压高差，涌入空间即地下开挖工程［１３３］。??本节基于岩溶地区水文地质条件及管道型涌水特征，建立岩溶管道型涌水的??基本水力模型，如图２－２所示，并对其涌水水力特征进行分析。??水源（江、河）?凹ｎｓ矿山开采????????????１１ｒ／／／／／／／／／／／／／／／＾ｖ－？?—?￣￣，＾＼＼＼＼＼＼＼％＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼?ｎＶｗｘＷｗＷｗＷＸｗ＾ｉ?／ｊｉｗｗｗ??＼?＼开采水平台段?＿／??＿＿＼?ｆ??Ｈ?Ｖ７７７７７７Ｘ?浦水点??ｈ??Ｕ?Ｌ?基准面??图２－２岩溶管道型涌水基本水力模型??Ｆｉｇ?２－２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｈｙｄｒａｕｌｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?Ｋａｒｓｔ?ｇｕｓｈｉｎｇ?ｗａｔｅｒ??将岩溶管道涌水视为稳定流，对涌水发生的四个基本要素进行分析。设定基??准面，将涌水水源处的水头记为Ｈ，将涌水通道起点与涌水空间的直线距离，记??为Ｌ，涌入空间形态为泉或泉群或地下工程开挖工作面，设为Ｊ点，高为／？，同??时设定一定高差即Ｈ＞／／。??当地下工程施揭露涌水通道的瞬间，压力势能转化为动能。根据伯努利能量??方程可得??２２??
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 谢杨;曹广祝;覃荣高;;岩溶管道径流公式研究[J];价值工程;2017年09期

2 张乔军;;荔波三荔水库库区右岸岩溶渗漏分析[J];水利科技与经济;2016年02期

3 计顺顺;刘建刚;吴悦;彭大伟;张斌龙;王美霞;;岩溶管道和溶蚀裂隙示踪曲线特征室内实验对比研究[J];勘察科学技术;2017年04期

4 韩宝平,李民,甘志杰;南桐矿区岩溶管道流对煤矿开采的影响[J];地下水;1996年04期

5 李文兴,郭纯青;岩溶管道水系统物理模拟——以岩滩水电站板文地下河系为例[J];中国岩溶;1996年04期

6 陈定容,罗伟权;岩溶管道水系统灰模型建立与分析——以贵州仁怀长岗为例[J];中国岩溶;1996年04期

7 王益伟;渠光华;刘埔;褚学伟;段先前;;岩溶管道网络数值模拟方法研究进展[J];水科学与工程技术;2019年01期

8 李文兴;岩溶管道(洞穴)形态空间的数学描述及分形计算研究[J];中国岩溶;1997年02期

9 叶堃;丁浩江;;成贵铁路玉京山隧道岩溶管道水勘察研究[J];路基工程;2014年02期

10 庄金波;圆梁山隧道岩溶管道群涌水处理技术[J];隧道建设;2004年03期

相关博士学位论文 前5条

1 李海燕;大流量岩溶管道涌水封堵机理与方法研究[D];山东大学;2018年

2 赵小二;溶潭和流速对岩溶管道溶质运移的影响模拟研究[D];南京大学;2018年

3 周毅;隧道充填型管道构造突涌水机理与预测预警及工程应用[D];山东大学;2015年

4 郭芳;岩溶洞穴交互带的环境功能特征及形成机制[D];长安大学;2017年

5 孙超群;隧道充填型致灾构造灾变演化及突涌水数值模拟研究[D];山东大学;2016年

相关硕士学位论文 前6条

1 胥洪彬;岩溶管道型涌水水力特征及注浆封堵机理研究[D];山东大学;2019年

2 谢杨;岩溶管道形状对渗流规律影响的研究[D];昆明理工大学;2017年

3 吴兴杰;隧道充填型岩溶管道渗流突水灾变机理研究[D];中国矿业大学;2017年

4 吕涛;基于流固耦合的岩溶管道对水工隧洞围岩影响的数值分析研究[D];重庆交通大学;2011年

5 曹细冲;矿井疏干区岩溶塌陷的水击气爆作用研究[D];中国地质大学(北京);2017年

6 朱超;宜万铁路隧道施工期岩溶灾害预警及防治对策研究[D];北京交通大学;2008年

本文编号：2852302