煤系岩溶含水层注浆改造参数优化与效果评价

摘要

高效高产是我国煤炭行业发展的方向，也是当今世界上所有发达国家先进煤炭开采水平的一个标志。近年来，我国许多矿山浅部煤层开采完毕，逐渐进入深部煤层的开采，采煤综合条件变得极其复杂，在主要产煤地的华北型矿区，有数十个矿区受到灰岩岩溶水的影响，煤矿经常发生突水事故。注浆改造煤层底板含水层，无疑问是解决突水事故最好的方法之一。注浆使本来强含水层变成弱含水层或者成为隔水层，消除或降低岩溶突水的发生。
　　煤系岩溶含水层注浆是一项复杂的隐蔽工程，它的渗流过程和注浆效果是岩体结构特征、岩溶承压水特性、浆液性质以及注浆工艺等方面共同作用的结果。本文在分析了目前的注浆理论、注浆材料和注浆方法基础上，通过理论分析、试验研究、数值建模计算等方法对研究区开展浆液配比、注浆参数优化研究。取得的主要成果有:
　　通过对研究区内煤层底板的地层岩性和井巷揭露资料的研究，采用趋势面分析法，确定6(10)煤底板隔水层分布规律;利用分形理论和断裂分维值定量评价底板岩体断裂发育程度，并在此基础上将煤层底板岩体结构划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四个类型;在系统分析研究区太原组上段灰岩岩性以及岩溶裂隙发育特征的基础上，分析钻孔出水量与注浆量之间的关系，建立了四类太原组上段灰岩岩溶含水层介质空间结构类型:溶孔-溶管网络型、溶隙-溶孔网络型、裂隙-溶隙网络型和单一裂隙网络型。
　　注浆浆液配比正交试验表明:采用相同比重的浆液，在相同底板条件下注浆，膨润土-水泥浆液比普通粘土-水泥浆液的结石率更高，能达到更好的堵水效果;从注浆成本方面考虑，水泥含量少的配比较为适用;从堵水加固效果方面考虑，水泥含量大，对底板加固效果影响较为明显，粘土含量大，浆液的堵水效果较为明显。
　　研制一种能模拟原位裂隙岩体注浆的试验装置，即“多功能地质工程模型试验系统”，并利用该系统进行模拟试验，得到在单一因素条件下，地下水动水压力对裂隙岩体注浆的影响权重大于围压对注浆的影响;对地下水动水压力和围压共同作用下的裂隙岩体注浆加固改造进行注浆模拟:承压地下水压力与注浆浆液压力相互作用，使得动水压力提高值达31％，注浆压力应大于动水压力与初始目标压力之和。
　　根据研究区底板太灰岩溶裂隙发育程度、岩体特征建立四类太灰岩溶含水层介质空间结构地质概念模型。考虑地下水水压条件下，利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对浆液扩散过程进行了数值模拟，分别得出了四种结构类型的浆液扩散距离。
　　利用优化后的注浆参数进行现场注浆，通过分析注浆前后钻窝出水量、浆液扩散半径和钻孔揭示等检验手段，证明优化后的注浆参数的准确性;通过分析各种注浆效果检验方法的原理和特点，采用“钻探-物探一体化法”对煤系岩溶底板注浆改造效果进行检验，该评价方法在刘桥一矿633工作面注浆改造效果检验中得到很好的验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 注浆技术发展历史

1．2．2 注浆材料的发展历史与应用

1．2．3 注浆理论研究现状

1．2．4 注浆模拟试验的发展

1．2．5 注浆效果监测

1．2．6 存在的主要问题

1．3 研究内容和方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 采用的研究方I法

1．3．3 技术路线

2 矿井煤层底板岩体结构特征和含水层结构类型

2．1 矿井地质与水文地质条件

2．1．1 矿区地层组成

2．1．2 矿区地质构造背景

2．1．2 矿区水文地质特征分析

2．2 矿区山西组6(10)煤层底板岩层结构特征

2．2．1 6(10)煤层底板岩层岩性特征

2．2．2 6(10)煤层底板岩性类型

2．2．3 6(10)煤层底板结构类型

2．2．4 6(10)煤层底板岩性—结构类型

2．3 太原组灰岩岩溶含水层介质空间结构特征

2．3．1 太原组灰岩岩性特征

2．3．2 太原组灰岩岩溶裂隙发育特征

2．3．3 基于底板成孔与注浆信息的太原组灰岩岩溶含水层结构评价

2．4 本章小结

3 注浆材料配比方案优化试验研究

3．1 概述

3．2 注浆材料与配比方案

3．2．1 注浆原材料性能

3．2．2 浆液配比方案

3．3 浆液物理力学性质指标试验与结果分析

3．4 膨润土-水泥浆液技术指标

3．4．1 膨润土-水泥浆基本性质测试

3．4．2 膨润土-水泥浆与同配比粘土-水泥浆性质对比

3．5 本章小结

4 地质工程多功能试验系统研制与注浆试验模拟

4．1 多功能试验系统研制

4．1．1 概况

4．1．2 地质工程多功能模拟试验系统功能

4．1．3 地质工程多功能模拟试验系统适用方向

4．1．4 地质工程多功能模拟试验系统组成与工作原理

4．1．5 主要技术指标

4．1．6 多功能试验系统试制

4．1．7 地质工程多功能试验系统特点

4．2 室内注浆模型试验

4．2．1 试验方案

4．2．2 试验准备

4．2．3 无动水压力、无三轴围压注浆试验

4．2．4 动水注浆试验

4．2．5 围压注浆试验

4．2．6 围压-动水注浆试验

4．2．7 综合结果分析

4．3 本章小结

5 底板灰岩岩溶裂隙结构岩体浆液扩散效应研究

5．1 岩溶结构对浆液扩散参数的影响

5．1．1 不同岩溶结构中孔口压力随时间的变化关系分析

5．1．2 岩溶结构对浆液扩散距离的影响分析

5．2 底板灰岩岩溶裂隙结构岩体浆液扩散数值模拟

5．2．1 裂隙结构岩体浆液扩散数值模拟分析

5．2．2 底板灰岩岩溶裂隙结构岩体浆液扩散数值模拟分析

5．3 本章小结

6 底板加固与含水层改造现场应用

6．1 底板加固与含水层改造注浆优化参数现场应用

6．1．1 工程概况

6．1．2 工作面水文地质条件

6．1．3 工作面工程地质条件

6．1．4 注浆工艺参数设计

6．1．5 工作面注浆工程实施

6．2 底板注浆改造效果检验评价

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果