摘要：华北型煤田下组煤资源受奥陶系中统厚层灰岩或太原组薄层灰岩等承压含水层突水威胁严重,现阶段利用水平定向钻对含水层进行超前区域注浆改造是消除底板突水威胁、解放煤炭资源的重要手段。但由于底板岩溶裂隙含水层水平注浆孔浆液扩散规律不清,注浆设计和工程实践中的关键注浆参数确定缺少理论依据,无法有效把控注浆过程、保证注浆效果,因此综合采用室内试验、理论推导、数值分析、对比验证和数值模拟等手段研究构建了倾斜裂隙水平注浆孔牛顿流体和黏时变性流体浆液扩散模型,通过模型试验和数值模拟计算进行了对比验证,计算分析了不同因素下倾斜裂隙浆液扩散迹线和扩散距离变化规律。研究结果:理论计算得到的浆液扩散形态和倾角的影响特征与倾斜裂隙浆液扩散物理模型试验结果和数值模拟计算结果具有一致性;岩溶含水层单裂隙中不同注浆压力、裂隙倾角(不包括0°)、裂隙开度和浆液水灰比下中浆液扩散形态为沿中心垂线对称的近似椭圆形态,上方裂隙中部迹线呈现微凹特征分布,浆液扩散距离最大值和最小值分别出现在方位角180°和0°位置。下方裂隙浆液扩散迹线范围的增加幅度大于上方裂隙;浆液扩散迹线范围在下方裂隙和上方裂隙中随裂隙倾角增加分别增大和减小;相同条件下,水平注浆孔上方裂隙中的浆液扩散距离大于下方裂隙中的,且在宽张裂隙尺度下差距呈现倍数增加特征。

摘要：水泥基宾汉姆流体浆液在倾斜裂隙中的扩散范围确定直接影响注浆工程参数的选择。为研究宾汉姆流体浆液扩散半径计算理论,根据宾汉姆流体浆液运移过程中具有“浆-水”分离的非稳定特性,建立宾汉姆流体浆液改进的分层充填物理模型,并使用物理模拟方法验证分层充填假设的可靠性;基于以上改进的物理模型,提出“有效扩散半径”和“无效扩散半径”的概念;利用改进的分层充填物理模型和N-S方程推导了宾汉姆流体浆液在粗糙倾斜裂隙中的有效扩散半径理论公式,该理论模型考虑了注浆压差、裂隙倾角、裂隙隙宽、裂隙粗糙程度4个主控因子对浆液扩散半径的影响;考虑到注浆工程中通常将沿裂隙走向“有效扩散半径”作为设计依据,进一步推导了对宾汉姆流体浆液方位角θ=90°时“有效扩散半径”的解析解;为了验证改进的分层充填物理模型和方位角θ=90°时“浆液扩散半径”的解析解的可靠性,将其与常规理论模型进行比较,并使用数值模拟的方法对“有效扩散半径”的计算值进行验证。室内浆液扩散试验表明,水泥基宾汉姆浆液运移时确实有分层分区运移的现象,浆液在平面上的分布可分为3个区域:浆液混合区、分层扩散区、分层扩散前锋面区,这一现象与数值模拟中浆液在最后一层充填时有明显的密度分区现象比较一致;裂隙中有效扩散半径取决于最后一层充填时裂隙宽度、注浆压差、裂隙粗糙度等参数,而非注浆参数和裂隙介质参数的初始值;与现有常用模型相比,改进后的宾汉姆流体浆液沿裂隙走向“最大有效扩散半径”的理论计算值与注浆工程现场经验值更加吻合。

摘要：针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C S浆液)为速凝类注浆材料,将C S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。

摘要：水泥基泡沫流体是一种新型的防控高温煤岩裂隙材料,其流变特性是工程应用过程中的关键指标。基于三相泡沫体浆液材料流变参数采用流变仪和环管试验测定分析的基础上,开展了倾斜裂隙通道中泡沫受力和运动分析,得到了不同裂隙倾角下屈服应力和塑性黏度的关系方程式。建立了倾斜裂隙通道泡沫流动试验物理模型,采用均匀设计试验方法,得到了流变参数回归拟合方程且四个因素影响程度依次为:泥浆水灰比、水基泡沫掺量、调凝剂掺量、粉煤灰掺量。进而结合实际工程应用指标,得出了具有较低的屈服应力和塑性黏度的物料配比为水基泡沫掺量为4V(浆液体积),泥浆水灰比为0.5,粉煤灰掺量为30%,调凝剂掺量为5%。