岩体裂隙溃水溃砂注浆治理模拟试验

摘要

岩体裂隙突水溃砂问题严重影响着地下工程的安全，注浆治理技术已成为水砂灾害防治的关键手段之一。在已有注浆理论和实践基础上，进一步加强对裂隙动水及水砂混合流条件下的注浆封堵效果及相关理论和技术研究是非常有必要的。本文通过室内模型试验和理论分析相结合的方法，进行了单裂隙动水注浆试验研究，分析了各因素及其组合对注浆堵水效果、浆液扩散、留存封堵、裂隙渗流压力等影响规律；研究了粘时变浆液动水裂隙留存封堵过程机理并提出了堵水判据。进行了模拟裂隙溃砂注浆治理试验初探，建立了可视化裂隙突水溃砂注浆试验平台，研究了裂隙倾角及宽度对裂隙溃砂注浆封堵效果的影响及原因。主要研究内容及成果如下：
　　（1）分析了粘时变浆液性能及与模拟裂隙相互作用的力学关系。改性脲醛树脂浆液与裂隙作用过程分为三个阶段：初始阶段，固化阶段和稳定阶段；单位面积最大粘结力随时间呈对数增大。
　　（2）建立了模拟岩体裂隙动水注浆试验系统平台，进行了岩体单裂隙动水注浆封堵试验。光滑平直裂隙动水注浆L16（45）正交试验结果表明，影响注浆堵水效果程度的因素依次为：动水流速、裂隙开度、注浆流量和浆液胶凝时间；根据堵水率将动水注浆堵水效果划分了六个等级；注浆过程中动水流量变化表现为单峰值递减型和多峰值波动型。研究了不同裂隙因素组合对注浆堵水效果的影响，发现网络状充填裂隙的注浆堵水效果最优，规则平直状裂隙次之，顺水流方向呈开口状裂隙注浆堵水效果最差，并对各类型裂隙影响注浆堵水效果原因进行了分析。
　　（3）分析了注浆过程中浆液扩散图像，进行了动水裂隙注浆浆液扩散规律研究。浆液扩散封堵分为6种类型：留存完全封堵、留存封堵前缘剪裂、沿侧边界冲刷通道、切穿浆液冲刷通道、交叉通道冲刷破碎和分区分层扩散底部残留型；并对各类型浆液扩散距离和扩散面积进行了分析。发现顺水流方向呈开口状裂隙浆液扩散冲刷破碎程度较大；网络充填裂隙，浆液扩散过程基本一致，注浆封堵效果较好。
　　（4）对粘时变浆液裂隙动水注浆扩散模型及机理进行了研究，建立了驱替扩散-留存封堵/冲刷模型。浆液扩散分为径向扩散阶段、沿侧向边界扩散阶段和浆液留存稳定阶段；注浆稳定阶段，注浆压力值受堵水率影响明显，注浆堵水效果越好注浆压力越大；裂隙离注浆孔越近的位置渗流压力值越高，受注浆过程影响越大；基于压力扩散和运移扩散两种机制对粘时变浆液扩散机理进行了讨论；推导了基于宾汉姆流体粘时变浆液动水裂隙扩散数学模型。
　　（5）研究了粘时变浆液裂隙动水注浆留存封堵机理与封堵判据，并建立了数学表达式。根据脲醛树脂浆液随时间发生胶凝固化过程把浆液留存封堵过程机理分为三个阶段：流态运动扩散期，充填胶凝阻水期和固化留存封堵期。提出了裂隙注浆成功堵水的三个条件，对注浆流量、注浆时间和浆液总量进行了临界值推导；提出了粘时变浆液裂隙注浆堵水判据，分为直接判据和条件判据，并分别推导了各个判据的数学表达式。
　　（6）进行了裂隙溃砂注浆治理模拟试验初探。建立了模拟微倾裂隙溃砂注浆治理试验平台，进行了不同倾角和宽度的裂隙溃砂注浆封堵试验，分析了封堵效果及原因；发现在设计试验条件下裂隙展布宽度对溃砂临界角度没有影响，存在裂隙溃砂注浆封堵的上限角度值；溃砂封堵后持续注浆转变为裂隙砂层渗透注浆，注浆孔附近孔隙水压力呈增大趋势；裂隙宽度越小测得的孔隙水压力值越高。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义（Background and Significance of the Research）

1.2 国内外研究现状 (Research Works at Home and Abroad)

1.3 研究内容（Research Contents）

1.4 研究方案（Research Programs）

2 试验材料

2.1 注浆材料选择及性能研究 (Grouting Material Selected and the Performance)

2.2 模拟岩体裂隙材料选择及可行性分析（Materials Simulated Rock Fracture and Performance Analysis）

2.3 本章小结（Summary）

3 裂隙动水注浆封堵效果及影响因素试验研究

3.1 单裂隙动水注浆试验平台建立（ Experimental Platform for Grouting in a Fracture with Flowing Water)

3.2 试验方案设计与因素水平确定（Experiment Scheme and Factor Levels）

3.3 光滑平直裂隙动水注浆堵水效应分析（Analysis of Sealing Effect of Grouting in a Fracture with Flowing Water）

3.4 影响堵水效果因素分析（Analysis of Influence Factors for Sealing Effect）

3.5 充填及非平直裂隙动水注浆堵水效应及影响因素分析 （Sealing Effect and Influencing Factors Analysis of Grouting in a Filled Fracture and Non-flat Fractures with Flowing Water）

3.6 本章小结（Summary）

4 裂隙动水注浆扩散模型及理论研究

4.1 裂隙注浆及动水注浆理论基础（Theoretical Foundation of Grouting into Fractures and with Flowing Water）

4.2 裂隙动水注浆浆液扩散规律及留存封堵过程（Diffusion Rule and Sealing Process of Grouting in a Fracture）

4.3 注浆压力及裂隙渗流压力变化规律（Changing Law of Grouting Pressure and Seepage Pressure）

4.4 裂隙动水注浆粘时变浆液扩散模型及机理分析（Research of Diffusion Model and Theory with Time-dependent Viscosity Grouting in a Fracture with Flowing Water)

4.5 基于宾汉姆流体粘时变浆液动水裂隙扩散数学模型(Mathematical Model Based on the Bingham Fluid with Time-dependent Viscosity Grout Spreading in a Fracture with Flowing Water）

4.6 本章小结（Summary）

5 裂隙动水注浆粘时变浆液留存封堵机理与封堵判据

5.1 基于浆液时变固化特性的动水裂隙注浆留存封堵机理(Sealing Mechanism and Process of Solidified Grout）

5.2 粘时变浆液裂隙动水注浆留存封堵原则及条件（ Sealing Criterion of Time-dependent Viscosity Grout in a Fracture）

5.3 脲醛树脂浆液裂隙注浆堵水判据及数学表达（ Sealing Criterion and Mathematical Expression）

5.4 本章小结（Summary）

6 裂隙溃砂注浆治理模拟试验初探

6.1 概述（Overview）

6.2 试验平台建立及方案设计（ Experimental Platform and Programs）

6.3 微倾裂隙溃砂注浆封堵效果及影响因素（ Sealing Effect and Influencing Factors of Grouting for Controlling Sand Inrush in a Tilting Fracture）

6.4 本章小结（Summary）

7 结论与展望

7.1 主要结论(Conclusions)

7.2 展望（Outlooks）

参考文献

作者简历

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