触变性水泥浆在煤矿采空区空洞及塌落裂隙带中的流动特性

More attention is paid to the flow characteristics of thixotropic grout in coalmine goaf and fractured zone, experiment tests, theoretical analysis, numerical simulation, and in-situ monitor are adopted here. The superiority of using thixotropic grout in mined goaf and it’s thixotropic mechanism are evaluated firstly. The rheological properties of the thixotropic grout are studied with hydrodynamics and modern mathematics theories, the accumulation and distribution characteristics of thixotropic grout with different flows in the mine goaf cavities and the seepage laws under different flow pressures in the fissured zone of collapse goaf area are revealed. Through the research, a reasonable rheological model is expected to be established and its numerical implementation is achieved based on Fluent, the temporal and spatial variation regularities of the thixotropic grout are investigated by the numerical simulation and field measurement. The reasonable grouting design theory and parameter calculation method are proposed. The investigations will improve the theories of the rheological properties of thixotropic grout, the limited choice of available materials and the poor theoretical in the coalmine goaf treatment can be solved effectively, and the scientific and technical guide for the grouting reinforcement technique for mine goaf area is provided.

本项目紧密围绕触变性水泥浆在煤矿开采空洞及塌落裂隙带中的流动特性，拟通过室内试验、理论分析、数值模拟和现场测试等方法，分析应用触变性水泥浆液进行采空区治理的优越性及触变性的形成机理和触变机制；并综合流体力学及现代数学理论研究触变性浆液的流变特性，揭示不同流量下该浆液在空洞区的流动堆积特征及不同压力下其在裂隙区内的渗流扩散规律。预期建立触变性水泥浆的本构模型，并以Fluent软件为平台，基于编制子程序进行数值仿真，并将计算结果与现场监测数据进行对比分析，以揭示触变浆液在采空区内的时空变化规律；最终提出预测触变性浆液在采空区内流动的成套理论和符合实际的参数计算方法。项目的研究成果对完善和丰富触变性流体基础理论具有重要的科学意义；可有效解决我国煤矿采空区灾害治理工程中存在的材料单一、理论不足等问题，为应用注触变性浆液加固采空区的设计及施工新方法提供科学指导，具有工程应用价值。

从采空区治理工程实践的现状和需求出发，紧密围绕触变浆液的开发及流动特性这一核心问题，通过室内试验、理论分析和现场测试等方法，优选了性能优异的触变剂，制备了完全满足预定指标的强触变水泥基浆液，确定了最优触变剂添加量在7%~8.5%范围，触变性纯水泥浆的最优水灰比为0.7，触变性水泥砂浆的最优水灰比随沙添加量不同而不同。基于博勒飞R/S型流变仪，测定了不同触变剂添加量、不同水灰比、不同风积沙添加量条件下各类浆液的流变曲线和流变参数；提出了触变系数的概念，以较好表征强触变性浆料触变性能，弥补了应用当前食品、化妆、纺织等行业触变性小且与静置时间相关性小的触变指数、触变环法表征工程浆液触变性的不足。提出了随静置时间增长的触变浆液静屈服应力表达式，更新了Herschel-Bulkley 流变模型。通过室内堆积模拟实验，测定了传统水泥粉煤灰砂浆、触变性纯水泥浆、触变性水泥砂浆在自然流动、注浆冲击下浆液的流动堆积特性和强度特性。项目研究为采空区充填治理提供了重要的理论依据。.项目资助下发表相关论文4篇，申请发明专利2项，待发表论文3篇；已毕业硕士1名，在读硕士1名。获批25万元研究经费剩余4.206万元，将用于后期论文发表和几个补做实验的费用。