破碎煤岩体注浆加固与堵水研究
|
摘要
本文结合综放采场破碎煤体注浆加固和裂隙岩体堵水工业试验，对破碎煤体注浆加固与裂隙岩体注浆堵水进行了研究。在分析综放采场破碎煤体和裂隙岩体内裂隙分布、树脂浆煤体加固和裂隙堵水机理的基础上，根据煤体破碎程度，把注浆煤体分为多裂隙—孔隙离散煤体和等效连续破碎煤体；根据岩体中裂隙的分布特点和力学特性，把裂隙岩体分为单裂隙、一组平行裂隙和多组交叉裂隙岩体；并建立了相应的物理数学模型研究了浆液扩散半径，减少了注浆施工的盲目性。
离散介质模型即煤体被几组裂隙分割成块度较大的离散型煤体；等效连续介质模型即把裂隙网络的浆液流动性均化到整个介质体积上，把裂隙煤体视为均质连续介质，用流体力学进行求解。本文应用质量守恒定律和立方定律等理论建立了数学模型研究了化学树脂浆在破碎煤体中的扩散规律和注浆参数，运用多重介质的悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动态方程和悬浮液渗流方程对极破碎煤体裂隙注浆加固淤塞现象进行了分析。应用拟连续介质、Darcy定律和岩体裂隙网络的随机模拟对裂隙岩体堵水的注浆参数进行了解算。
同时，本文还就注浆材料和注浆工艺选择、充填体强度与岩体强度的变形协调情况以及明水注浆措施等注浆存在的问题进行了研究。并且上述研究内容和结论已通过试验得到了验证，为现场工程注浆提供了理论指导。
This paper studies the serum injection for reinforcing the crashed seam and ponding the cracked rocks, associated the industrial experiments of the serum injection for reinforcing the crashed in full mechanized caving stope and ponding the cracked rocks. By analyzing the distributing of crannies in crashed seam and cracked rocks, and the mechanism of reinforcing crashed seam and ponding cracked rocks with resin, this paper divides the seams into excessive cranny-hole concrete seam and equivalent continuous crashed seam according the crashed degree of seams, and divides the cracked rocks into single cranny rocks, a set of parallel crannies rocks and multivariable intersected crannies rocks according to the distributing and mechanics traits of crannies in rocks. The paper constitutes the corresponding models of physics and mathematics to research the diffusion radius. So blindness is reduced in injection projects.
The concrete medium model is that the coal is divided into small concrete coal by multivariable intersected crannies. The equivalent continuous medium model is that the resin fluid in cranny network is equaled to all the medium volume, and the cranny seam is considered as isotrope and continuous medium so solved by hydromechanics. This paper estimated the mathematical model and studies the diffusion law of chemical resin in crashed seams and injecting parameters using the theories of conservation of mass, cube law, and so on. The paper also analyzing the foul phenomenon of resin serum injection for reinforcing the terribly crashed seam with the multiplex mediums' suspensoid movement equation, suspensoid depositing dynamic equation and suspending liquid seepage equation. This paper, resolves the injecting parameters of ponding the cracked rocks using imitate continuous medium, Darcy law and random simulate of rocks' crack network.
Meanwhile the paper studies the chance of injection material and technics, injecting measures of open water, and the compatibility of deformation conditon
离散介质模型即煤体被几组裂隙分割成块度较大的离散型煤体；等效连续介质模型即把裂隙网络的浆液流动性均化到整个介质体积上，把裂隙煤体视为均质连续介质，用流体力学进行求解。本文应用质量守恒定律和立方定律等理论建立了数学模型研究了化学树脂浆在破碎煤体中的扩散规律和注浆参数，运用多重介质的悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动态方程和悬浮液渗流方程对极破碎煤体裂隙注浆加固淤塞现象进行了分析。应用拟连续介质、Darcy定律和岩体裂隙网络的随机模拟对裂隙岩体堵水的注浆参数进行了解算。
同时，本文还就注浆材料和注浆工艺选择、充填体强度与岩体强度的变形协调情况以及明水注浆措施等注浆存在的问题进行了研究。并且上述研究内容和结论已通过试验得到了验证，为现场工程注浆提供了理论指导。
This paper studies the serum injection for reinforcing the crashed seam and ponding the cracked rocks, associated the industrial experiments of the serum injection for reinforcing the crashed in full mechanized caving stope and ponding the cracked rocks. By analyzing the distributing of crannies in crashed seam and cracked rocks, and the mechanism of reinforcing crashed seam and ponding cracked rocks with resin, this paper divides the seams into excessive cranny-hole concrete seam and equivalent continuous crashed seam according the crashed degree of seams, and divides the cracked rocks into single cranny rocks, a set of parallel crannies rocks and multivariable intersected crannies rocks according to the distributing and mechanics traits of crannies in rocks. The paper constitutes the corresponding models of physics and mathematics to research the diffusion radius. So blindness is reduced in injection projects.
The concrete medium model is that the coal is divided into small concrete coal by multivariable intersected crannies. The equivalent continuous medium model is that the resin fluid in cranny network is equaled to all the medium volume, and the cranny seam is considered as isotrope and continuous medium so solved by hydromechanics. This paper estimated the mathematical model and studies the diffusion law of chemical resin in crashed seams and injecting parameters using the theories of conservation of mass, cube law, and so on. The paper also analyzing the foul phenomenon of resin serum injection for reinforcing the terribly crashed seam with the multiplex mediums' suspensoid movement equation, suspensoid depositing dynamic equation and suspending liquid seepage equation. This paper, resolves the injecting parameters of ponding the cracked rocks using imitate continuous medium, Darcy law and random simulate of rocks' crack network.
Meanwhile the paper studies the chance of injection material and technics, injecting measures of open water, and the compatibility of deformation conditon
引文
1．芮素生，成玉琪，叶显彬．中国煤炭开发利用现状与发展洁净煤技术[J]，煤炭学报，1994，19(4)：334．
2．梅萱芝．中国煤炭工业的现状[J]，中国对外贸易，1996，(10)：23．
3．王亚军，黄平，李生才．2004年7-10月国内安全事故统计分析[J]，安全与环境学报，2004，4(6)：23．
4．王连国，宋扬．矿井突水危险性评价模型[J]，工程地质学报，2001．9：158．
5．刑玉章．综放采场矿压显现异常机理的研究[D]，泰安：山东科技大学，2004．5：1．
6．邱振先．国外厚煤层开采和安全技术现状[J]，东北煤炭技术，1996(5)：3-4．
7．许家林，钱鸣高，金泰等．鲍店矿仰斜开采综采面顶板控制研究[J]，矿山压力与顶板控制，1994(2)：1，15．
8．杜嘉鸿，王杰．注浆技术的发展与展望[J]，化工矿山技术，25(4)：1．
9．程骁，张凤祥．土建注浆施工与效果检测[M]，上海：同济大学出版社，1981．1，1-2．
10．毛宇．水泥混凝土路面聚氨酯弹性嵌缝料开发及性能研究[D]，西安：长安大学，2003．
11．杨永辰，刘富明．综放工作面煤壁片帮冒顶机理及防治技术[J]，Coal，2001：14．
12．韩安民，唐介岳，张玉敏，苏炳松．复杂条件下3.6m煤层轻放开采[J]，江苏煤炭，2001，(4)：26-27．
13．郁祥军．综放工作面上抬追项过程中煤层片冒机理及防治[J]，煤炭科技，2001，(4)：37．
14．杜乐清，吴爱民，温大维．聚氨酯喷涂设备的研制和应用[J]，煤炭科学技术，1998，26(9)：43．
15．吴国金，严小文．矿用聚氨酯锚固剂[J]，聚氨酯工业，2000，15(4)：28
16．刘义生，温大维．聚氨酯治理导水断层及其诱发的冒顶空硐[J]，煤炭科学技术 2002，30(3)：19．
17．魏景云．聚氨酯材料在煤矿中的应用[J]，煤矿丌采，1994，3：12．
18．吕春峰．煤层底板突水的数值模拟试验及其工程应用[D]，西安：西安科技大学，2003．
19．白茅，刘天泉．孔隙裂隙弹性理论及应用导论[M]，北京：石油工业出版社，1999．10，1-7．
20．王晓明．铧子石膏矿井筒突水综合治理的研究[D]，辽宁：辽宁工程技术大学，2004．
21．宋振骐．实用矿山压力控制[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1988，85．
22．张东俭，徐恩虎，苗素军．矿压显现规律与控制[M]，北京：煤炭工业出版社，2001，47．
23．温运峰，高永格，蔡振禹．对厚煤层综采面煤壁片帮冒顶严重的原因分析[J]，河北建筑科技学院学报，2004，21(2)：69．
24．宁宇．煤岩体化学加固作用的力学原理分析[J]，煤炭科学技术，1996，24(5)：37-38．
25．李世平，吴振业，贺永年，李晓．岩石力学简明教程[M]，北京：煤炭工业出版社，1996，31．
26．苏现波，冯艳丽，陈江峰．．煤中裂隙的分类[J]，煤田地质与勘探，2002，30(4)：21-24．
27．李崇寻．煤层注水与采空区灌水防尘[M]，北京：煤炭工业出版社，1981，12-14．
28．王嫒，速宝玉，徐志英．三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟[J]，水文地质工程地质，1995，3：1-2．
29．章梦涛，潘一山，梁冰，王来贵．煤岩流体力学[M]，北京：科学出版社，1995，215-78．
30．刘世煌．裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究[J]，水力发电，1996，8：13．
31．秦玉书、李琮翔、海国治．煤层注水湿润状态的计算机数值模拟方法[J]．煤矿安全，1995，(1)：14-15．
32．吴世跃．煤层瓦斯扩散与渗流规律的初步探讨[J]．山西矿业学院学报，1994，12(3)：260-261．
33．桂子鹏、康盛亮．数学物理方程[M]．上海：同济大学出版社，1987，54．
34. Pai S I. Two—Phase Flow. Vieweg-Verlog (1977.
35．刘大有．关于二相流、多相流、多流体模型和非牛顿流等概念的探讨[J]，力学进展，1994，24(1)：66-67．
36．刘彦．固液两相流动边界层的数学模型及流场计算[D]，甘肃：甘肃工业大学，2001．
37．成春奇，张丹，郑高升．多孔介质中悬浮质的淤塞作用对悬浮液渗流动态的影响[J]，煤田地质与勘探，2001，29(5)：43-45．
38．李勋千，杨春来，周庆芬．井筒涌水量预测及注浆堵水[M]，北京：煤炭工业出版社，1992．9，1-4．
39．张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水[M]，北京：地质出版社，1997．8，57-59，481．
40．陈国锋、杨米加．ZKD高水速凝材料浆的流动性能及其堵水机理的研究[J]，山西煤炭，1997，17(5)：29-30．
41．宋彦波，刘洪涛，李英明．有机高水注浆堵水材料堵水机理分析[J]，煤炭科学技术，2004．32(11)：19．
42. Oda M.. An equivalent continuum model for coupled stress and fluid analysis in jointed rock masses[J], Water Resources Research, 1986, 22 (13): 29.
43．柴军瑞，韩群柱．岩体渗流场与温度场耦合的连续介质模型[J]，地下水．1997，19(2)：59．
44．马国彦，常振．岩体灌浆排水锚固理论与实践[M]，北京：中国水利水电出版社，2003，111．
45．张宏．矿井明水注浆工艺探讨[J]，水力采煤与管道运输，(4)，2002．12：40．
46. Richard Campbell, R. J. Mould. Impacts of gloving and un-mixed resin in fully encapsulated roof bolts on geotechnical design assumptions and strata control in coal mines[J], International Journal of Coal Geology, 2005, 64 (1-2): 116-117.
47．(苏)Е．П．卡尔梅柯夫，张永成，梁秋亲译．立井注浆技术[M]，北京：煤炭工业出版社，1986．11，86．
48．(苏)B．B．达维道夫，Ю．И．别罗索夫．樊永凤，梁秋琴等译．加固矿山岩层的化学方法[M]，北京：煤炭工业出版社，1981．4，11-13．
49．陈勤树．岩体注浆加固的理论与实例[J]，有色金属(矿山部分)，1994．2：25．
50．翟福宝，林新波，张质良等．表面喷熔层超塑性变形强化及其协调变形条件[J]，上 海交通大学学报，2000，34(10)：1398．
51．程鉴基．双液化学硅化法在地下溶洞加固工程中的应用[J]，工程堪察，1996，1：18-19．
52．王小军，孙建敏．双液注浆法在泥水盾构中的应用[J]，广东土木与建筑，2004，6：40．
53．许允．双液注浆工艺在既有广深桥桩基加固中的应用[J]，设计与施工，2005，4：46．
54．李和玉．小导管注浆技术及在隧道和地下工程中的应用[D]，四川成都：西南交通大学，2002．
2．梅萱芝．中国煤炭工业的现状[J]，中国对外贸易，1996，(10)：23．
3．王亚军，黄平，李生才．2004年7-10月国内安全事故统计分析[J]，安全与环境学报，2004，4(6)：23．
4．王连国，宋扬．矿井突水危险性评价模型[J]，工程地质学报，2001．9：158．
5．刑玉章．综放采场矿压显现异常机理的研究[D]，泰安：山东科技大学，2004．5：1．
6．邱振先．国外厚煤层开采和安全技术现状[J]，东北煤炭技术，1996(5)：3-4．
7．许家林，钱鸣高，金泰等．鲍店矿仰斜开采综采面顶板控制研究[J]，矿山压力与顶板控制，1994(2)：1，15．
8．杜嘉鸿，王杰．注浆技术的发展与展望[J]，化工矿山技术，25(4)：1．
9．程骁，张凤祥．土建注浆施工与效果检测[M]，上海：同济大学出版社，1981．1，1-2．
10．毛宇．水泥混凝土路面聚氨酯弹性嵌缝料开发及性能研究[D]，西安：长安大学，2003．
11．杨永辰，刘富明．综放工作面煤壁片帮冒顶机理及防治技术[J]，Coal，2001：14．
12．韩安民，唐介岳，张玉敏，苏炳松．复杂条件下3.6m煤层轻放开采[J]，江苏煤炭，2001，(4)：26-27．
13．郁祥军．综放工作面上抬追项过程中煤层片冒机理及防治[J]，煤炭科技，2001，(4)：37．
14．杜乐清，吴爱民，温大维．聚氨酯喷涂设备的研制和应用[J]，煤炭科学技术，1998，26(9)：43．
15．吴国金，严小文．矿用聚氨酯锚固剂[J]，聚氨酯工业，2000，15(4)：28
16．刘义生，温大维．聚氨酯治理导水断层及其诱发的冒顶空硐[J]，煤炭科学技术 2002，30(3)：19．
17．魏景云．聚氨酯材料在煤矿中的应用[J]，煤矿丌采，1994，3：12．
18．吕春峰．煤层底板突水的数值模拟试验及其工程应用[D]，西安：西安科技大学，2003．
19．白茅，刘天泉．孔隙裂隙弹性理论及应用导论[M]，北京：石油工业出版社，1999．10，1-7．
20．王晓明．铧子石膏矿井筒突水综合治理的研究[D]，辽宁：辽宁工程技术大学，2004．
21．宋振骐．实用矿山压力控制[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1988，85．
22．张东俭，徐恩虎，苗素军．矿压显现规律与控制[M]，北京：煤炭工业出版社，2001，47．
23．温运峰，高永格，蔡振禹．对厚煤层综采面煤壁片帮冒顶严重的原因分析[J]，河北建筑科技学院学报，2004，21(2)：69．
24．宁宇．煤岩体化学加固作用的力学原理分析[J]，煤炭科学技术，1996，24(5)：37-38．
25．李世平，吴振业，贺永年，李晓．岩石力学简明教程[M]，北京：煤炭工业出版社，1996，31．
26．苏现波，冯艳丽，陈江峰．．煤中裂隙的分类[J]，煤田地质与勘探，2002，30(4)：21-24．
27．李崇寻．煤层注水与采空区灌水防尘[M]，北京：煤炭工业出版社，1981，12-14．
28．王嫒，速宝玉，徐志英．三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟[J]，水文地质工程地质，1995，3：1-2．
29．章梦涛，潘一山，梁冰，王来贵．煤岩流体力学[M]，北京：科学出版社，1995，215-78．
30．刘世煌．裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究[J]，水力发电，1996，8：13．
31．秦玉书、李琮翔、海国治．煤层注水湿润状态的计算机数值模拟方法[J]．煤矿安全，1995，(1)：14-15．
32．吴世跃．煤层瓦斯扩散与渗流规律的初步探讨[J]．山西矿业学院学报，1994，12(3)：260-261．
33．桂子鹏、康盛亮．数学物理方程[M]．上海：同济大学出版社，1987，54．
34. Pai S I. Two—Phase Flow. Vieweg-Verlog (1977.
35．刘大有．关于二相流、多相流、多流体模型和非牛顿流等概念的探讨[J]，力学进展，1994，24(1)：66-67．
36．刘彦．固液两相流动边界层的数学模型及流场计算[D]，甘肃：甘肃工业大学，2001．
37．成春奇，张丹，郑高升．多孔介质中悬浮质的淤塞作用对悬浮液渗流动态的影响[J]，煤田地质与勘探，2001，29(5)：43-45．
38．李勋千，杨春来，周庆芬．井筒涌水量预测及注浆堵水[M]，北京：煤炭工业出版社，1992．9，1-4．
39．张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水[M]，北京：地质出版社，1997．8，57-59，481．
40．陈国锋、杨米加．ZKD高水速凝材料浆的流动性能及其堵水机理的研究[J]，山西煤炭，1997，17(5)：29-30．
41．宋彦波，刘洪涛，李英明．有机高水注浆堵水材料堵水机理分析[J]，煤炭科学技术，2004．32(11)：19．
42. Oda M.. An equivalent continuum model for coupled stress and fluid analysis in jointed rock masses[J], Water Resources Research, 1986, 22 (13): 29.
43．柴军瑞，韩群柱．岩体渗流场与温度场耦合的连续介质模型[J]，地下水．1997，19(2)：59．
44．马国彦，常振．岩体灌浆排水锚固理论与实践[M]，北京：中国水利水电出版社，2003，111．
45．张宏．矿井明水注浆工艺探讨[J]，水力采煤与管道运输，(4)，2002．12：40．
46. Richard Campbell, R. J. Mould. Impacts of gloving and un-mixed resin in fully encapsulated roof bolts on geotechnical design assumptions and strata control in coal mines[J], International Journal of Coal Geology, 2005, 64 (1-2): 116-117.
47．(苏)Е．П．卡尔梅柯夫，张永成，梁秋亲译．立井注浆技术[M]，北京：煤炭工业出版社，1986．11，86．
48．(苏)B．B．达维道夫，Ю．И．别罗索夫．樊永凤，梁秋琴等译．加固矿山岩层的化学方法[M]，北京：煤炭工业出版社，1981．4，11-13．
49．陈勤树．岩体注浆加固的理论与实例[J]，有色金属(矿山部分)，1994．2：25．
50．翟福宝，林新波，张质良等．表面喷熔层超塑性变形强化及其协调变形条件[J]，上 海交通大学学报，2000，34(10)：1398．
51．程鉴基．双液化学硅化法在地下溶洞加固工程中的应用[J]，工程堪察，1996，1：18-19．
52．王小军，孙建敏．双液注浆法在泥水盾构中的应用[J]，广东土木与建筑，2004，6：40．
53．许允．双液注浆工艺在既有广深桥桩基加固中的应用[J]，设计与施工，2005，4：46．
54．李和玉．小导管注浆技术及在隧道和地下工程中的应用[D]，四川成都：西南交通大学，2002．