基本信息
- 项目名称：
- 地下工程突（涌）水的物理模拟试验台开发和注浆封堵新技术研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 涌突水是地下工程的主要地质灾害之一。实践表明，注浆方法是涌突水封堵治理的有效技术手段。但是动水注浆理论尚不成熟，尤其是裂隙动水条件下浆液扩散和封堵机理研究不足。针对上述问题，研发了准三维裂隙动水注浆模型试验台，经过试验分析，首次提出水泥浆液的U形扩散规律和分层分区扩散机制，得到浆液的快速析水沉积原理和沉积留核扩散规律。在此基础上，形成了以浆水比为核心控制因素的裂隙涌水注浆封堵新方法。
- 详细介绍：
- 团队通过平常的学习和社会实践认识到，涌突水是地下工程的主要地质灾害之一。实践表明，注浆方法是涌突水封堵治理的有效技术手段。但是动水注浆理论尚不成熟，尤其是裂隙动水条件下浆液扩散和封堵机理研究不足，导致现存注浆工艺存在很大的经验性和盲目性。 针对上述问题，本项目： （1）研发了国内外第一台可视化大比例准三维裂隙动水注浆物理模型试验台，能够控制不同的流场条件，实现不同注浆参数下的浆液动水扩散和留存封堵模拟； （2）对浆液的动水注浆扩散规律做了研究，首次提出裂隙动水注浆的U形扩散规律，得出了浆液动水扩散公式,并提出了用浆液扩散开度L和逆水扩散距离N描述浆液扩散范围的方法； （3）通过模型试验的方法，针对水泥浆液的扩散和封堵进行了深入研究； ①首次提出了水泥浆液的分区分层扩散机理，并研究了不同注浆参数与浆液的扩散开度和逆水扩散半径的关系； ②发现了动水注浆中水泥浆液的快速析水沉积现象，分析了裂隙动水对浆液水分的运移袭夺作用，揭示了浆液的快速析水分层原理和沉积留存机理； ③提出了沉积留核的概念，用沉积留核描述水泥浆液的有效封堵区，得到了留核扩散参数L0和N0与浆水比ζ的关系，得出水泥浆液形成有效沉积扩散所对应的浆水比ζ取值范围为ζ∈[0.15,1.5]； ④结合水泥浆液的扩散和留存封堵机理，提出了水泥浆液的动水封堵注浆施工技术，并在室内试验和现场试验中得到了验证。 （4）在龙固煤矿进行了现场试验，首先优选出关键孔，以浆水比ζ为核心调控因素，进行注浆设计，然后通过信息化施工，最终成功封堵涌水，取得了经济效益，并验证了研究结论，具有一定的理论意义和工程推广价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 开发准三维裂隙动水注浆模拟试验台，以此为平台研究动水注浆扩散和封堵机理，填补国内外在此领域的空白，并基于此提出注浆封堵新技术，将成果应用于地下工程突（涌）水灾害治理中，改变目前注浆存在较大盲目性和经验性的现状，为注浆堵水提供了科学的理论依据。 基本思路： 我们采用模型试验的方法，开发准三维裂隙涌水注浆模型试验台，通过数值模拟分析注浆压力、水流流速、浆液粘度、温度等注浆参变量对浆液动水扩散的影响，提出水泥浆液的分区分层扩散机制和沉积留存封堵机理，从而得出动水封堵新技术。 主要创新点： （1）研发了国内外首台动水注浆物理模拟试验台，能够实现裂隙动水环境模拟，进行裂隙动水注浆封堵试验； （2）首次提出浆液在裂隙动水条件下的U形扩散规律，并给出了浆液U形扩散的通用表达形式，丰富了现有注浆扩散理论； （3）提出水泥浆液的分区分层扩散机制和沉积留存封堵机理，提出沉积留核的概念和用浆水比ζ定量衡量浆液有效扩散方法； （4）提出了动水注浆封堵新技术。
科学性、先进性
- 通过查新报告，我们了解到目前国内外并没有可以模拟动水注浆环境的物理模拟试验台，而且国内外学者对动水注浆机理鲜有研究，特别是从未就浆液在动水中扩散机制和封堵机理进行深入研究。导致目前注浆存在较大的盲目性和经验性，理论和技术发展远远落后于工程需要。 作品通过研发国内外首台可视化准三维裂隙动水注浆物理模拟试验台，得出动水中水泥浆液的扩散和封堵机理，提出注浆封堵新技术，为注浆提供了科学的理论指导。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月，获第十二届“挑战杯”校大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 2011年6月，获第十二届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 适用范围： 隧道、矿山、水利水电工程等。 推广前景： 社会效益方面，突水灾害所带来的人员伤亡非常大，每一项地下工程的完成都要付出无数鲜血的代价，而本研究成果可以有效减少人员伤亡，保证地下工程建设安全进行。 经济效益方面，目前我国一个规模较大的矿井每年的排水费用都在1000万人民币以上。在其他地下工程建设时，排水费用也几乎占到了工程预算的三分之一。本研究成果可以有效的降低工程经济投入，经济效益十分可观。 环境效益方面，常年涌水对地下工程周边围岩具有冲刷和渗透作用，成为围岩失稳、支护垮塌的诱因；对地下水抽排导致孔隙水压力减小甚至消散，易造成地表沉陷，从而引发地表建筑的不均匀沉降和桩基失稳诱发环境地质灾害；长期对地下水的袭夺，破坏了地下水补给和循环路径，带来了严重的水资源保护问题；对地下水的过度抽排，会导致该处的生态环境恶化。本研究成果可以有效的解决这些问题，有助于生态保护和可持续发展。
同类课题研究水平概述
- 注浆理论研究方面： 研究浆液在岩体裂隙内流动规律十分复杂。现阶段只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动规律。现有的注浆公式只限于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动。Hassler等人用渠道网络代替裂隙面，将二维辐射流简化为一维直线流。在单条渠道内，推导出了浆液运动方程。 浆液扩散理论的试验研究现状： 目前国内外已经开展了一系列的注浆模拟试验，尝试建立各注浆参数之间的内在联系，得到了一些注浆参数的经验公式。奥地利学者进行了裂隙中浆液流动过程的模拟实验研究，建立了注浆流量、注浆压力及渗透距离之间的关系，并测得不同扩散距离下裂隙内浆液流量、注浆压力及浆液粘度，还建立了粗糙度与注浆流量及浆液扩散距离的关系式；瑞典学者T.Jamson、H.stille在斯德哥尔摩皇家技术研究所岩土力学室进行了大量关于灌浆的基本力学研究工作，发展了三种裂隙注浆模拟模型；东北大学研制了槽形扁圆柱状试验台，研究了多孔介质体中注浆渗流过程的压力分布及其随扩散距离衰减的规律。 存在问题： ①理论研究远远落后于技术经验，没有建立符合实际的数学模型，更没有考虑裂隙动水流场对浆液扩散的影响，这与涌突水灾害严重不符，计算结论也与试验规律差别甚大，随着地下工程突涌水灾害的日趋严重和复杂，急需开展动水注浆扩散及封堵理论的研究； ②扩散机制方面的研究较少，没有明确的针对浆液动水扩散机制方面的研究，更没有针对动水流场的封堵机制的相关研究； ③基于科学理论指导的地下工程突水治理技术，研究严重不足，还有待于发展。
