矿井淹没巷道多孔灌注骨料封堵模拟试验

摘要

对于已发生淹井事故的矿井，注浆技术是治理水害事故的关键技术手段之一。矿井淹没巷道注浆堵水一般分为骨料灌注和注浆加固两个阶段。骨料灌注建立集中过水巷道阻水段，是后期注浆加固的前提。研究骨料颗粒的沉降运移堆积规律对于巷道阻水段快速建立具有积极意义。本文通过室内模型试验和理论分析相结合的方法，进行矿井淹没巷道动水多孔灌注骨料试验研究，建立了可视化管道骨料灌注试验平台，借鉴泥沙运动和浆体管道输送理论，分析了各因素对骨料截流堵水效果以及骨料沉降运移堆积规律的影响，建立了骨料截流堵水效果判据，进行不同灌注顺序的骨料截流堵水效果初探，研究灌注顺序对截流堵水效果的影响，结合工程探讨骨料灌注建立巷道堵水段过程。主要研究内容及成果如下： （1）建立了矿井淹没巷道动水多孔灌注骨料试验平台。能实现多因素水平条件下管道骨料灌注过程可视化，以及图像、压力和流量数据的实时采集。 （2）进行矿井淹没巷道动水多孔灌注骨料L16(45)正交试验。对试验结果进行极差和方差分析，表明影响骨料堵水效果的因素依次为动水流速、骨料粒径、孔间距和巷道角度。最小堵水率作为骨料截流堵水效果好坏评判标准，揭示的是骨料堆积体占据巷道的空间大小以及阻水情况。 （3）描述了骨料堆积形态和沉降堆积过程，分析了骨料颗粒沉降运移堆积规律。从水流方向上的堆积体延伸和垂直水流方向的高度增加，分析骨料堆积体形态；在静水条件和动水条件下，分析灌注骨料的堆积过程。借鉴泥沙运动学和浆体管道输送中颗粒受力分析及泥沙运动形式，进行巷道中砂颗粒沉降运移规律分析。 （4）分析骨料封顶过程，提出了骨料截流堵水效果判据。根据泥沙颗粒起动临界条件，提出颗粒群运动进入静止堆积封顶的临界条件，分析骨料封顶过程。同时给出颗粒的沉降堆积临界条件是颗粒做减速运动前合力为零的力平衡状态，建立了骨料在水平和倾斜巷道内的截流堵水效果判据。 （5）进行不同顺序灌注骨料截流堵水试验初探。试验结果表明，灌注顺序先细后粗灌注试验堵水效果比前细后粗好，灌注骨料即将封顶时，加大力度灌注相同粒径的骨料或大于该粒径的骨料，更利于封顶。 （6）结合实际工程进行骨料灌注截流堵水过程探讨。介绍了矿井淹没巷道骨料灌注与注浆堵水过程，特别是集中过水巷道阻力段的建立，以潘二煤矿堵水工程为例介绍施工手段。同时提出骨料堆积体截流阻水最小长度大于理论的有效注浆最小长度，且在骨料灌注互不影响的情况下，最优孔间距选取以小间距为主。

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