深部矿井裂隙导水构造高温动水条件下注浆体运移扩散规律及堵水机制

In order to research water burst of fracture rock in deep mine, transport law of grouting under moving water and high temperature through fracture system of deep mine is investigated by prospecting,laboratory testing,thoretical analysis and numerical simulation, then the water plugging mechanism is explored. The structure,touch rule and space-time order of fracture rock in deep mine is determined. The environmental and fracture evolutive model are developed under insider and exyernal environment. The nonlinear law of grouting transport and fracture evolution are analyzed on the basis of experimental results. The criterion of grouting concretion and radius calculation formula of grouting transport are presented. The constitutive model of grouting transport is developed. The fracture evolution, creep and seepage law of grouting concretion are analyzed. The nonlinear relation of creep parameter, hydraulic conductivity and fissure ratio is built. The microstructure and micro-interfaceof slurry, flow and rock particles are analyzed during grouting concretion. The transport model of grouting under coupling of moving water and high temperature is developed, and the numerical method of model is explored. The rational design of grouting parameter and reliability estimate of grouting and plugging water are supported by the project research.

针对深部矿井裂隙导水构造涌/突水的问题，通过现场探查、室内实验、理论分析、数值计算相结合的方法研究高温动水条件下深部矿井裂隙构造注浆体运移扩散规律，揭示注浆堵水机制。确定深部矿井岩体导水系统构造组成、联系规则和时空秩序，建立反映裂隙导水构造内、外环境相互作用的环境模型及裂隙构造演化的动力学模型。基于实验结果，探讨注浆体运移扩散的非线性变化规律及注浆过程中裂隙构造演化规律，提出注浆结石判据及注浆体扩散半径计算公式，构建控制注浆体运移扩散过程的本构模型；研究注浆结石体裂隙重现扩展规律以及蠕变与渗流变化规律，建立蠕变参数-渗透系数-裂隙率之间的非线性关系；分析注浆体结石过程中微观结构特征参数的演化规律以及浆体、水流、岩石颗粒微界面相互变化关系。建立高温动水作用下注浆体运移扩散的数学模型，提出模型的数值解法。项目的研究为深部矿井注浆堵水参数的合理设计及注浆堵水可靠性评价提供理论依据和技术支持。

针对深部矿井裂隙导水构造涌/突水的问题，通过室内实验、理论分析、数值计算相结合的方法得到了如下研究成果：（1）检测了有机注浆材料（水溶性聚氨酯化学灌浆材料）、无机注浆材料（水泥浆、水玻璃）的运动粘度、胶凝时间、渗透、强度、微观结构等物理力学性能，分析了温度、水压、材料配合比、裂隙率/裂隙开度与注浆结石体的裂隙、渗透、力学强度、微观结构之间的相关性。（2）构建了透明可视化裂隙注浆扩散试验平台，开展了不同温度、不同水压、不同材料配合比条件下有机、无机注浆材料运移扩散模拟试验，分析了有机注浆材料、无机注浆材料用于注浆堵水的可行性，得出了温度-水流耦合作用下浆液在裂隙中的运移扩散规律，弄清浆体与水流的相界面特性，并通过线性回归原理对注浆扩散规律进行了总结，揭示了有机、无机注浆材料裂隙堵水机制。（3）推导了注浆运移扩散半径公式，建立了单一裂隙下宾汉姆流体运移扩散数学模型、温度-水流作用下注浆体在管状裂隙和平面裂隙中运移扩散的数学模型。（4）基于注浆运移扩散数学模型，采用有限元数值分析软件对注浆工程实例进行模拟计算，分析注浆过程中岩层孔隙水压力场的变化情况，评价注浆效果。将数值计算结果与实际工程案例进行对比，验证了数学模型的可靠性。.该研究成果对于正确认识温度-水流耦合作用下矿井裂隙注浆堵水机制具有重要意义，丰富了动水条件下裂隙岩体注浆运移扩散规律、注浆堵水数学模型等相关理论体系，可为矿山开采、基坑与隧道开挖等工程涌/突水灾害的治理与预防提供理论支持，也可为工程堵水效果评价与分析提供技术支持和基础数据。