高壓動水巖溶隧道注漿防突水機理與數(shù)值試驗平臺研究項目摘要

突水地質災害的防控和注漿機理是目前巖溶隧道施工中的重大技術和理論難題，本項目以巖溶介質的演化規(guī)律和賦存形態(tài)為基礎，以大量工程實踐為依托，借助于理論分析、程序開發(fā)和試驗模擬等手段，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的巖體概化模型；通過研究特定漿液的時變特性與動力學擴散理論，獲得相應的動力學控制方程組；結合特定漿液的時變特性和本構關系，采用時空雙域離散技術，推導控制方程組的離散格式，借助特殊邊界處理技術，開發(fā)考慮漿、水、巖三者相互作用的注漿數(shù)值試驗平臺；改進室內注漿試驗系統(tǒng)，研究漿、水、巖三者的相互作用關系，使之與數(shù)值試驗平臺的計算結果相互驗證，獲得地下水流場、漿液運移場、巖體應力應變場之間的相關性；給出高壓注漿堵水的最小安全厚度、注漿參數(shù)和結束標準，研究成果對巖溶隧道突水地質災害的防控具有重要意義。

采用資料調研、理論研究、數(shù)值模擬、經驗類比、現(xiàn)場測試和室內試驗等方法，以巖溶介質的演化規(guī)律和賦存形態(tài)為基礎，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。首先基于巖溶介質的演化規(guī)律和賦存形態(tài)，結合巖土體介質的概化模型，對巖溶區(qū)被注介質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概化模型。然后分別采用滲流理論和流體動力學理論對漿液的運移機理進行了研究。針對被注介質屬于多孔介質，且采用注漿花管進行注漿時，提出其漿液擴散模式屬于復合模式，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，證明了球形和柱形經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。在流體動力學擴散理論方面，基于質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，完成了相關理論研究成果的數(shù)值離散和編譯工作，形成了相應的計算程序，但其計算效率尚有待提升。之后分別對多孔介質、裂隙介質和雙重介質的漿液運移進行了研究。對于多孔介質模型，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合模式。對于裂隙介質，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，與前期的室內試驗結果相符。針對雙重介質，以管道-孔隙雙重介質為被注介質，構建較為復雜的管道網絡，并對其注漿過程進行計算，結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）介質模型進行研究較為科學。最后，為了使研究成果能夠指導注漿設計與施工，對注漿防突技術和應用進行了研究。為了掌握巖溶隧道的突水特征完成了相關的突水仿真計算，然后將注漿防突技術根據潛在突水體的地質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，提出了相應的注漿原則和方案，并結合現(xiàn)場突水的一個巖溶隧道工程，對注漿防突設計與施工進行了總結，得出地質分析、精準探測、針對性的治理原則、科學的注漿技術是完成巖溶突水注漿防突的關鍵，為相關研究成果的現(xiàn)場應用奠定了基礎，也可為后續(xù)類似工程提供借鑒。 2100433B

《注漿加固防治底板突水機理與應用》對底板注漿加固工作面防治水技術進行了研究，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性質“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用》可供煤礦從事防治水工作的技術人員、科研人員以及相關專業(yè)的大學生、研究生、教師閱讀，也可供相關專業(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，開展巖溶管道水、巖溶裂隙水及地表水三者之間的相互轉換關系，論證巖溶地下水的賦存規(guī)律與空間分布規(guī)律。在研究的基礎上，初步建立典型地區(qū)巖溶地下水水動力場模型，提出調研區(qū)內巖溶地下水開發(fā)利用方案。

突水機理與災害控制是目前巖溶隧道施工中的重大理論與技術難題，本項目以巖溶地區(qū)含水構造賦存規(guī)律研究為基礎，以大量工程實踐為依托，應用理論分析、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害突變機理。通過巖溶地區(qū)含水構造賦存條件和水源補給規(guī)律的研究，辨識其臨突地質前兆信息，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性及其對突水預測的有效性，分析突水破裂通道形成過程中圍巖應力、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，給出突水判據和最小安全厚度，提出特大體量含水構造的穩(wěn)定控制方法，研究成果對于巖溶隧道災害預測與控制具有重要意義。