煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散机理及应用

发布时间：2017-10-07 14:34

  本文关键词：煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆扩散机理及应用

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【摘要】：在分析总结现有研究成果的基础上,本文通过理论分析和现场试验相结合,借助相似模拟实验、离散元数值计算等方法,对煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆渗流加固机理及其应用等进行了深入研究。为了深入研究高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能,在实验原材料的配比设计实验的基础上,分析研究了高掺量粉煤灰-水泥注浆材料不同参数条件下的性能,结果表明,水固比和速凝剂掺量对注浆材料的凝结时间、抗压强度、流动度、结石率等有显著影响；同时,利用ESEM技术从形貌上定性分析体系水化产物的生成和粉煤灰活性的激发状态,采用XRD技术可探测晶体结构及峰强变化的特征分析水化产物的组成及变化,利用MIP技术分析不同注浆材料组成的孔结构,进而解释了其对宏观物理力学性能的影响；注浆材料电学性能分析结果表明,以分析注浆材料电学特征作为无损、非破坏评价注浆材料性能的技术手段是科学可行的。在高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能研究的基础上,为进一步研究注浆材料在采空区的渗流特征和规律,本文采用平面应力的物理相似模拟实验进行了模拟研究。实验结果表明,在采空区中矸石堆积相对规则的垮落区,受孔隙分布特征的影响,浆液在这类区域浆液渗流迹线分布呈现“脊椎式”；在采空区中矸石堆积不规则的垮落区,受孔隙分布特征的影响,浆液在这类区域的渗流迹线分布呈现“絮网式”；通过分析浆液的渗流迹线发现,同时也发现受浆液的两相(水、固)物质渗透不协调、水泥粉煤灰矿物盐类电解和矸石堆积体孔隙特征等共同因素的作用,浆液在采空区矸石孔隙内流动过程中存在明显的阻滞效应；另外,浆液通过对采空区矸石堆积体“脊椎式”或“絮网式”嵌锁加固形成注浆固结体,改变了矸石堆积体的形态,提高了采空区介质的完整性及其强度,在浆液扩散影响范围内形成一个“类矿柱”体。在注浆材料性能和渗流特征规律研究的基础上,为进一步优化注浆参数,应用平面应力问题的理论模型,通过离散元分析软件-UDEC3.1的二维数值模拟,优化分析了注浆压力、水灰比和固相比三个控制参数。结果表明,影响注浆效果最显著的是注浆压力,其次是水灰比,再次是固相比；并且通过采空区注浆效果主要影响因素对比优化分析,本文认为水泥粉煤灰浆液注浆主要参数选择注浆压力1.0 MPa、水灰比1：1.2-1：1.4、固相比3：7的参数组合其技术效果相对较好。论文在试验研究的基础上,通过分析注浆加固之后采空区介质体的特点,提出了“固结体+矸石体+岩梁体”协作支撑系统或采空区介质体协作支撑系统,并通过构建采空区介质体支撑系统原理图,分析了采空区介质体的力学作用机制和协作支撑系统稳定条件,本文认为注浆加固形成的固结体对矸石体的侧向约束作用和对上覆岩层压力的竖向支撑作用,是保证整个协作支撑系统稳定的关键。本文在实验研究和理论分析的基础上,于安泰坑口选煤厂下伏采空区治理工程中进行了注浆实践。实践表明：依据本文研究结论所进行的现场试验设计,浆液渗流性能良好,浆液的加固效应所形成的固结体,提高了采空区矸石体的完整性、改善了其受力环境和承载能力,现场试验取得良好的效果。
【关键词】：高掺量粉煤灰 加固机理 阻滞效应 注浆参数优化
【学位授予单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325.3;TD350
【目录】：

• 摘要4-6
• AJbstract6-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 文献综述13-25
• 1.2.1 注浆技术的发展历程13-15
• 1.2.2 高掺量粉煤灰水泥注浆材料特性研究现状15-16
• 1.2.3 采空区渗透注浆扩散理论研究现状16-23
• 1.2.4 采空区渗透注浆模拟研究现状23-24
• 1.2.5 采空区注浆效果检测研究现状24-25
• 1.3 文献研究评述25-26
• 1.4 主要研究内容与技术路线26-28
• 1.4.1 主要研究内容26
• 1.4.2 技术路线26-28
• 2 高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能研究28-51
• 2.1 原材料及试验方法28-32
• 2.1.1 试验材料28-29
• 2.1.2 试验方法29-32
• 2.2 高掺量粉煤灰-水泥注浆材料组成及性能优化32-40
• 2.2.1 试验方案33
• 2.2.2 试验结果分析33-40
• 2.3 高掺量粉煤灰-水泥注浆材料微观结构研究40-46
• 2.3.1 ESEM40-43
• 2.3.2 X衍射43-44
• 2.3.3 MIP孔结构分析44-46
• 2.4 高掺量粉煤灰-水泥注浆材料电学性能分析46-48
• 2.4.1 注浆材料典型电阻率曲线的建立46-47
• 2.4.2 基于电阻率参数的注浆材料早期结构特征分析47-48
• 2.5 注浆材料选择分析48-49
• 2.6 本章小结49-51
• 3 采空区注浆渗流相似模拟实验分析51-74
• 3.1 主要研究内容51
• 3.2 相似模拟方案51-54
• 3.3 长壁采空区覆岩结构特征54-57
• 3.4 采空区注浆液渗流迹线分布规律57-62
• 3.4.1 采空区孔隙结构特征57-59
• 3.4.2 注浆浆液特点59-60
• 3.4.3 注浆浆液渗流迹线分布规律60-62
• 3.5 采空区注浆液的阻滞效应分析62-67
• 3.5.1 浆液特性分析62-64
• 3.5.2 浆液阻滞效应分析64-67
• 3.6 采空区注浆液加固效应分析67-72
• 3.6.1 加固效应的宏观分析67-70
• 3.6.2 加固效应的微观分析70-72
• 3.7 本章小结72-74
• 4 采空区注浆渗透参数数值计算分析74-101
• 4.1 UDEC简介74-75
• 4.2 数值模拟的假定条件75
• 4.2.1 采空区顶板岩体结构假定75
• 4.2.2 注浆过程及效果假定75
• 4.3 数值计算模型的建立75-78
• 4.3.1 数值计算模型75-76
• 4.3.2 计算模型参数选取76-77
• 4.3.3 计算方案77-78
• 4.4 采空区注浆参数优化分析78-99
• 4.4.1 注浆压力参数优化分析78-87
• 4.4.2 注浆水灰比参数优化分析87-94
• 4.4.3 注浆固相比参数优化分析94-99
• 4.5 本章小结99-101
• 5 采空区注浆加固支撑机理研究101-109
• 5.1 采空区注浆加固支撑系统分析101-102
• 5.2 采空区介质体的力学作用机制102-105
• 5.2.1 固结体的支撑作用机制102-103
• 5.2.2 采空区介质体协作支撑系统的力学作用过程103-105
• 5.3 采空区介质体协作支撑系统稳定条件105-108
• 5.3.1 固结体的支撑条件及控制机制105-106
• 5.3.2 采空区介质体协作支撑系统的稳定性分析106-108
• 5.4 本章结论108-109
• 6 安泰坑口选煤厂下伏采空区注浆治理工程实例109-134
• 6.1 研究区工程背景109-112
• 6.1.1 地面拟建构筑物及采空区分布状况109-110
• 6.1.2 采空区钻探地层揭露情况110-112
• 6.2 采空区注浆处理技术112-116
• 6.2.1 注浆孔布设参数112-114
• 6.2.2 浆液配比选择与注浆量114-115
• 6.2.3 注浆材料现场配比试验115-116
• 6.3 采空区注浆效果的物探检测116-125
• 6.3.1 采空区治理解释依据116-117
• 6.3.2 数据的处理与分析117-125
• 6.3.3 物探结果分析125
• 6.4 采空区注浆效果的钻孔检测125-133
• 6.4.1 检测孔施工揭露125-127
• 6.4.2 钻孔岩芯力学测试127-129
• 6.4.3 钻孔电视观测分析129-133
• 6.5 本章小结133-134
• 7 主要结论与展望134-136
• 7.1 主要结论134-135
• 7.2 论文创新点135
• 7.3 展望135-136
• 参考文献136-143
• 致谢143-144
• 攻读博士学位期间的主要研究成果144-145

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本文编号：988395