高壓動水巖溶隧道注漿防突水機理與數(shù)值試驗平臺研究結(jié)題摘要

采用資料調(diào)研、理論研究、數(shù)值模擬、經(jīng)驗類比、現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗等方法，以巖溶介質(zhì)的演化規(guī)律和賦存形態(tài)為基礎(chǔ)，依托工程實踐，系統(tǒng)研究了巖溶隧道注漿防突水機理和數(shù)值試驗平臺。首先基于巖溶介質(zhì)的演化規(guī)律和賦存形態(tài)，結(jié)合巖土體介質(zhì)的概化模型，對巖溶區(qū)被注介質(zhì)概化模型的適用性進行了研究，提出了適合于不同潛在突水體類型的被注介質(zhì)概化模型。然后分別采用滲流理論和流體動力學(xué)理論對漿液的運移機理進行了研究。針對被注介質(zhì)屬于多孔介質(zhì)，且采用注漿花管進行注漿時，提出其漿液擴散模式屬于復(fù)合模式，而非單一的球形或柱形模式，并對其運移控制方程進行了推導(dǎo)，證明了球形和柱形經(jīng)典擴散方程是該控制方程的兩種特殊形式，驗證了控制方程的正確性。在流體動力學(xué)擴散理論方面，基于質(zhì)量守恒和動量守恒定律，對漿液在管道等優(yōu)勢擴散通道中的運移進行了研究，并采用時-空雙域離散技術(shù)，完成了相關(guān)理論研究成果的數(shù)值離散和編譯工作，形成了相應(yīng)的計算程序，但其計算效率尚有待提升。之后分別對多孔介質(zhì)、裂隙介質(zhì)和雙重介質(zhì)的漿液運移進行了研究。對于多孔介質(zhì)模型，對外水壓力作用下的漿液運移過程進行了數(shù)值仿真計算，驗證了前面針對花管注漿所提出的漿液運移的復(fù)合模式。對于裂隙介質(zhì)，以單平板裂隙和多平板裂隙為例，對其擴散形態(tài)和模式進行了研究，結(jié)果表明注漿初期其擴散形態(tài)變化較大，但在注漿穩(wěn)定后，均呈現(xiàn)U形，與前期的室內(nèi)試驗結(jié)果相符。針對雙重介質(zhì)，以管道-孔隙雙重介質(zhì)為被注介質(zhì)，構(gòu)建較為復(fù)雜的管道網(wǎng)絡(luò)，并對其注漿過程進行計算，結(jié)果表明在巖溶管道周邊的巖體較為致密、完整性較好的條件下，漿液和地下水主要在管道這一優(yōu)勢通道中運移，而在巖石孔隙中的運移量極小，基本可以忽略不計，從計算效率和準(zhǔn)確度上來說，建議對于該類潛在突水體，采用單一的裂隙（管道）介質(zhì)模型進行研究較為科學(xué)。最后，為了使研究成果能夠指導(dǎo)注漿設(shè)計與施工，對注漿防突技術(shù)和應(yīng)用進行了研究。為了掌握巖溶隧道的突水特征完成了相關(guān)的突水仿真計算，然后將注漿防突技術(shù)根據(jù)潛在突水體的地質(zhì)特征分為斷層破碎帶、巖溶管道、溶蝕裂隙三類進行了分別研究，提出了相應(yīng)的注漿原則和方案，并結(jié)合現(xiàn)場突水的一個巖溶隧道工程，對注漿防突設(shè)計與施工進行了總結(jié)，得出地質(zhì)分析、精準(zhǔn)探測、針對性的治理原則、科學(xué)的注漿技術(shù)是完成巖溶突水注漿防突的關(guān)鍵，為相關(guān)研究成果的現(xiàn)場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也可為后續(xù)類似工程提供借鑒。 2100433B

突水地質(zhì)災(zāi)害的防控和注漿機理是目前巖溶隧道施工中的重大技術(shù)和理論難題，本項目以巖溶介質(zhì)的演化規(guī)律和賦存形態(tài)為基礎(chǔ)，以大量工程實踐為依托，借助于理論分析、程序開發(fā)和試驗?zāi)M等手段，系統(tǒng)研究高壓動水巖溶隧道注漿防突水機理和數(shù)值試驗平臺。通過研究巖溶區(qū)被注介質(zhì)的演化規(guī)律、賦存形態(tài)及其概化模型，建立適用于巖溶介質(zhì)的巖體概化模型；通過研究特定漿液的時變特性與動力學(xué)擴散理論，獲得相應(yīng)的動力學(xué)控制方程組；結(jié)合特定漿液的時變特性和本構(gòu)關(guān)系，采用時空雙域離散技術(shù)，推導(dǎo)控制方程組的離散格式，借助特殊邊界處理技術(shù)，開發(fā)考慮漿、水、巖三者相互作用的注漿數(shù)值試驗平臺；改進室內(nèi)注漿試驗系統(tǒng)，研究漿、水、巖三者的相互作用關(guān)系，使之與數(shù)值試驗平臺的計算結(jié)果相互驗證，獲得地下水流場、漿液運移場、巖體應(yīng)力應(yīng)變場之間的相關(guān)性；給出高壓注漿堵水的最小安全厚度、注漿參數(shù)和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，研究成果對巖溶隧道突水地質(zhì)災(zāi)害的防控具有重要意義。

《注漿加固防治底板突水機理與應(yīng)用》對底板注漿加固工作面防治水技術(shù)進行了研究，分析了底板注漿加固巖體滲透性“降低—升高”機理、注漿加固工作面底板巖體力學(xué)性質(zhì)“增強—損傷”規(guī)律、底板注漿孔套管的加固機理、注漿加固工作面突水原因及特征，以及高水壓薄隔水層工作面突水危險性分析和治理對策，并通過相似條件模擬研究和煤礦實例研究，驗證了該研究成果的有效性。

《注漿加固防治底板突水機理與應(yīng)用》可供煤礦從事防治水工作的技術(shù)人員、科研人員以及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生、研究生、教師閱讀，也可供相關(guān)專業(yè)的研究人員參考。

重點解剖本區(qū)巖溶作用機理與典型巖溶石山地區(qū)巖溶發(fā)育特征，充分運用計算機技術(shù)，開展巖溶管道水、巖溶裂隙水及地表水三者之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，論證巖溶地下水的賦存規(guī)律與空間分布規(guī)律。在研究的基礎(chǔ)上，初步建立典型地區(qū)巖溶地下水水動力場模型，提出調(diào)研區(qū)內(nèi)巖溶地下水開發(fā)利用方案。

突水機理與災(zāi)害控制是目前巖溶隧道施工中的重大理論與技術(shù)難題，本項目以巖溶地區(qū)含水構(gòu)造賦存規(guī)律研究為基礎(chǔ)，以大量工程實踐為依托，應(yīng)用理論分析、物理模擬和數(shù)值分析等手段，系統(tǒng)研究巖溶隧道上覆特大體量巖溶水體突出的前兆信息及其災(zāi)害突變機理。通過巖溶地區(qū)含水構(gòu)造賦存條件和水源補給規(guī)律的研究，辨識其臨突地質(zhì)前兆信息，提出突水的發(fā)生條件與影響因素；通過流固耦合模型試驗系統(tǒng)，開展隧道施工誘發(fā)特大體量水體突出的模型試驗，研究突水前后水體附近圍巖力場和地球物理場的變化規(guī)律及其臨突特征；研究各場信息的相關(guān)性及其對突水預(yù)測的有效性，分析突水破裂通道形成過程中圍巖應(yīng)力、位移和滲流等多元信息的演化規(guī)律，建立突水前兆多元信息識別模型；研究特大體量含水構(gòu)造失穩(wěn)的非線性突變特征，建立巖溶水體突出的尖點突變模型，給出突水判據(jù)和最小安全厚度，提出特大體量含水構(gòu)造的穩(wěn)定控制方法，研究成果對于巖溶隧道災(zāi)害預(yù)測與控制具有重要意義。