郭屯煤矿松散底部含水层注浆扩散机理研究

摘要

近些年来，我国华东地区厚松散层煤矿立井井筒发生百余起井筒偏斜破裂事故，严重影响煤矿生产与井下工作人员安全。此类井筒偏斜破裂是由松散层底部含水层（简称“底含”）大量疏水引起，而位于巨野煤田的郭屯煤矿发生三个井筒偏斜就是一个典型案例，如何控制井筒进一步偏斜，对于矿山安全生产具有重要意义。
　　本文以此为研究对象，在系统分析郭屯煤矿立井井筒周边“底含”水文地质特征基础上，采用压水试验方法，获得注浆层段水文地质参数，分析主W1孔注浆期间最远处观测孔“冒浆”事故原因是由于观测孔周边地层与其余地层存在较大渗透性能差异引起。
　　通过对松散层注浆过程分析，建立了以风检3孔、主W1孔“底含”注浆概念模型和数学模型，采用物质扩散、Darcy流、固体力学等多物理场耦合方法，以Comsol Multiphysics软件为工具，模拟了浆液扩散形态、压力场、流场及应力场分布情况，分析了注浆过程中浆液的扩散机理以及在注浆压力下井筒所受应力情况，并模拟验证了以往“冒浆”过程。研究结果表明:
　　(1)浆液扩散形态开始呈现圆状，受动水条件影响，逐渐向水滴状过渡，浆液扩散速率随时间逐渐降低。
　　(2)模型压力分布呈现出注浆孔孔口压力最大，随距离增加逐渐趋近于出入口边界压力的特征。
　　(3)受注浆压力作用，注浆孔周围地层应力及位移变化最大，井筒应力最大点位于井筒底部靠近注浆孔一侧，井筒位移自上而下逐渐减小。
　　(4)受地层渗透系数差异，数值模拟成果模拟主W1孔最远处观测孔冒浆现象，验证分析正确性。

目录

声明

摘要

插图及附表清单

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 注浆研究现状

1．2．1 注浆技术发展

1．2．2 地面注浆修复井筒偏斜研究现状

1．2．3 注浆扩散理论研究现状

1．2．4 浆液扩散数值模拟研究现状

1．3 研究内容

1．4 研究方法与技术路线

2．1．1 井田位置及范围

2．1．2 交通

2．1．3 地形与气候

2．2 矿区地质概况

2．2．2 地层

2．2．2 构造

2．3 矿区含水层特征

2．3．1 新生界松散含水层

2．3．2 二叠系石盒子组裂隙含水层

2．3．3 山西组3煤顶底板砂岩含水层

2．3．4 太原组岩溶裂隙含水层

2．3．5 奥陶系岩溶含水层

2．4 地下水补给、径流和排泄条件分析

2．4．1 新生界松散含水层

2．4．2 二叠系石盒子组裂隙含水层

2．4．3 山西组3煤顶底板砂岩含水层

2．4．4 太原组岩溶裂隙含水层

2．4．5 奥陶系岩溶含水层

3 工业广场松散层底部含水层特征研究

3．2 松散层及底部含水层厚度分布特征

3．3 底部松散含水层岩性分布特征

3．4 水文动态特征

3．5 失水原因分析

3．5 水文地质参数

4 地面注浆工程

4．1 工程对象概况

4．2 地面注浆概况

4．2．1 注浆孔布置

4．2．2 注浆参数设计

4．3 注浆过程及分析

4．3．1 现场进展情况

4．3．2 事故原因分析

5 地面注浆扩散机理模拟

5．1 静水条件下注浆扩散公式推导

5．2 注浆扩散机理模拟

5．2．1 初始条件

5．2．2 模型尺寸

5．2．3 偏微分方程

5．2．5 模型网格化剖分

5．2．4 注浆模型物理参数

5．3 模拟结果分析与处理

5．3．1 风检3孔注浆分析

5．3．2 主W1孔注浆分析

6．1 结论

6．2 问题及建议

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果