破碎煤岩体化学注浆加固材料研制及渗透扩散特性研究

    注浆是一种比较成熟的岩体加固技术,在煤矿井下采煤工作面和巷道的加固、巷道顶板涌水的封堵、坝体坝基防渗堵漏、基坑加固、海底隧道、建筑物抬升或纠偏、边坡和地基加固等工程中都得到了广泛的应用。与此同时,各种注浆新材料、新工艺和新设备层出不穷,极大地促进了注浆技术的发展。与此不对称的是注浆理论却进展缓慢,研究水平相对落后。主要因为注浆是隐蔽性工程,而且是复杂的系统工程,受制约的影响因素很多,主要有:浆液性质、注浆设计、注浆工艺及被注煤岩体地质力学性质等,甚至还得考虑环境保护等要求。 本文论述了注浆的发展过程,注浆材料以及注浆的分类,以及详细总结和分析了渗透注浆的基础理论,主要从浆液的流变性,被注介质与浆液的作用关系,注浆压力的选取,浆液的扩散规律等方面做了比较深入的研究工作,并取得了一些成果。 (1)开发了兼有堵水和加固作用的聚氨酯注浆材料。该注浆材料以水为固化剂,消除了因密封件磨损等设备原因和管路堵塞等其他原因引起的双组份比例不匹配,造成的浆液固化质量下降。可以对矿井大范围淋水条件下破碎煤岩体进行有效封堵水与加固。 (2)开发了低粘度强渗透性低毒的脲醛树脂注浆材料。该材料在环境温度15℃～25℃时的粘度为60Cp～30Cp,固化速度可以根据固化剂的用量随施工条件调节,抗压强度达到5MPa以上。适用于煤矿采掘过程中,结构软弱、松散,强度极低的煤岩体加固,以保证矿井正常的生产,消除矿井的安全隐患。 (3)自行设计了恒压三维渗透注浆模拟试验及装置,通过试验得出了渗透系数与围压及浆液的粘度近似成反比。 (4)从岩体中裂隙分布、渗流水力学特征与化学注浆堵水机理出发,详细分析了影响渗透水裂隙的形成及分类,破碎煤岩体注浆堵水作用机理。 (5)在基于浆液粘度的时变性规律,并考虑了裂隙倾角和方位角、地下静水压力等诸多影响因素,建立了牛顿流体注浆扩散模型,发展了注浆扩散理论。随着注浆时间的延长,注浆扩散半径不断增大。注浆半径在后期的增长明显小于注浆前期扩散半径的增长。注浆前锋面上的压力梯度逐渐降低,裂隙通道上各点的压力急剧减小(但不呈线性关系),浆液流速和注浆流量逐渐减小,注浆扩散半径存在极限值。 (6)浆液流变性、裂隙产状和注浆工艺参数对扩散半径的影响很大。浆液初始粘度越大,或者粘度时变性越大,扩散半径越小;扩散半径随力学开度的增大而急剧增长,随注浆压力的增大也呈增大趋势,随地下水静压力的增大而减小。 (7)通过工程实例进行对比分析,证明本文建立的注浆扩散理论反映了注浆扩散规律,试验结果接近工程实际。本文注浆扩散模型考虑了较多的影响因素,对有关假设和前提作了深入的试验研究和对比分析后得到了定性规律和定量结论,计算中所需的地质参数和浆液性能也可准确测试出来,因而本文建立的扩散模型有一定的实用价值。 

 

页数：102

 

【学位级别】：博士

 

文章目录

 

摘要

Abstract

第一章 绪论

    1.1 注浆概述

        1.1.1 注浆技术的发展过程

        1.1.2 注浆方法

    1.2 注浆材料

        1.2.1 常见化学注浆材料

        1.2.2 国内外注浆材料应用和研究上存在的问题

    1.3 渗透注浆理论综述

        1.3.1 浆液为牛顿流体型作匀速运动的渗透理论

        1.3.2 浆液为牛顿流体时作减速运动的渗透理论

        1.3.3 界面为球面的非稳定双相流渗透理论公式

        1.3.4 浆液为宾汉姆流体型的渗透理论

        1.3.5 变流体的渗透理论

        1.3.6 基于驱替机制的浆液渗透理论

        1.3.7 注浆理论存在的问题

    1.4 本论文的主要研究内容

第二章 煤岩体渗透注浆的理论基础

    2.1 浆液的流变性

        2.1.1 牛顿（Newton）流体

        2.1.2 宾汉姆（Bingham）流体

        2.1.3 圆管中牛顿体与宾汉体的区别及其速度分布

    2.2 化学浆液与被注介质的作用关系

        2.2.1 浆液与岩土间的润湿性

        2.2.2 化学注浆中吸湿性及其存在的条件

        2.2.3 被注介质强度增长机理

    2.3 本章小结

第三章 化学注浆材料研制及渗透模拟试验研究

    3.1 聚氨酯堵水兼加固材料研究

        3.1.1 聚氨酯材料的基本反应原理

        3.1.2 聚氨酯材料特性

        3.1.3 研制的堵水加固聚氨酯材料性能

    3.2 低粘度脲醛加固材料研究

        3.2.1 脲醛树脂反应机理

        3.2.2 脲醛材料的性能

    3.3 注浆渗透性模拟试验

        3.3.1 试验装置

        3.3.2 试验操作步骤

        3.3.3 试验结果分析

    3.4 渗透注浆试验的数值模拟

    3.5 本章小结

第四章 破碎煤岩体化学注浆加固堵水作用机理研究

    4.1 破碎煤岩体注浆堵水机理研究

        4.1.1 岩体中裂隙分布、渗流水力学特征与化学注浆堵水机理

        4.1.2 注浆堵水参数研究

    4.2 破碎煤岩体化学注浆加固机理研究

        4.2.1 化学注浆加固机理

        4.2.2 煤岩体内裂隙、孔隙分布

    4.3 本章小结

第五章 注浆扩散模型研究

    5.1 水平单裂隙径向扩散模型

    5.2 倾斜裂隙注浆扩散模型

    5.3 本章小结

第六章 实例分析

    6.1 注浆加固实例分析

        6.1.1 试验点基本情况

        6.1.2 工作面地质与生产条件

        6.1.3 注浆加固方案

        6.1.4 化学注浆加固材料及工艺和机具

        6.1.5 加固效果与巷道围岩变形分析

    6.2 注浆堵水实例分析

        6.2.1 试验点基本情况

        6.2.2 注浆堵水方案

        6.2.3 注浆堵水效果分析

    6.3 结论

第七章 结论及展望

    7.1 主要结论

    7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文