深部随机开度裂隙岩体渗透注浆扩散机理研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hhugjl012800
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深部地下空间开发中围岩稳定与安全至关重要,而注浆技术是解决地下工程围岩稳定控制的一种重要手段。由于浆液扩散空间的复杂性、注浆扩散过程的不可见性及浆液本身黏度的时变性,使得研究随机开度裂隙岩体渗透注浆浆液随黏度时空特性演化过程中的扩散机理及工程应用成为关键工程技术问题。为此,以深部随机开度裂隙岩体渗透注浆扩散机理为研究对象,通过自主研发的三维应力下单裂隙岩体应力-渗流耦合渗透注浆试验装置,进行了裂隙岩体渗透注浆特性试验,得到了三维应力状态作用下单裂隙岩体渗透系数的变化规律;建立了两种随机开度裂隙考虑浆液黏度时空特性的渗透注浆扩散模型,推导出浆液扩散区内压力时空分布方程;将工程中巷道裂隙围岩三向应力分布参数代入了渗透系数表达式中,得到了随机裂隙岩体中裂隙开度的分布,最后利用浆液扩散区内压力时空分布方程确定了各项注浆参数,优化了“深浅孔-高低压耦合注浆技术”关键施工控制参数,并获得了较好稳定控制效果。研究获得了以下创新性成果:(1)自主研发了一套三维应力状态下单裂隙岩体应力-渗流耦合渗透注浆试验装置,开展了不同应力路径与裂隙倾角状态下单裂隙渗透注浆特性试验,得到了浆液流量、注入压力及单裂隙岩体应力-应变数据,揭示出三维应力状态下单裂隙岩体渗透系数变化规律。(2)基于浆液黏度的时空特性的演化,建立了随机开度“矩形”和“梯形”裂隙注浆渗透扩散理论模型,推导出随机开度“矩形”与“梯形”裂隙渗透注浆浆液扩散区内压力时空分布方程;通过提取W-M函数随机裂隙开度数据进行了浆液扩散区内压力分布的计算,分别讨论了两种注浆理论计算结果中裂隙开度分布、浆液粘度、裂隙曲线分形维数、裂隙下端面水平移动距离及注浆速率等方面对于浆液渗透扩散过程的局部及整体上的相互作用,揭示了考虑浆液黏度时空特性的深部随机开度裂隙岩体渗透注浆扩散机理。(3)构建了具有随机裂隙开度的单裂隙和平面裂隙岩体模型,采用了N-S方程作为宾汉姆流体流动控制方程,并预定义了浆液粘度空间分布函数,模拟反映了考虑浆液黏度时空特性的随机开度的单裂隙与平面裂隙岩体渗透注浆扩散机理,分析了浆液黏度、注浆压力、浆液剪切速率等因素在浆液渗透扩散过程中的影响规律,验证了“矩形”和“梯形”两种渗透注浆扩散理论模型的适用性。(4)将巷道围岩中三向应力分布参数代入了单裂隙岩体渗透系数表达式,反映了随机开度裂隙岩体中裂隙开度分布规律,并通过钻孔探测的方法检验了裂隙开度分布参数的准确性;进而采用随机开度“矩形”及“梯形”裂隙岩体渗透注浆扩散区内压力时空分布方程确定了各项注浆参数,优化了“深浅孔-高低压耦合注浆技术”关键施工控制参数,工程实践及监测结果表明,优化后的注浆加固工程取得了较好的稳定控制效果。
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