地下工程裂隙煤岩体浆—水两相流注浆扩散机制研究

Water hazard is one of the main natural disasters. Based on study on migration pattern of dynamic water, migration model of two-phase flow of grouts-water in a single fracture will be built up considering not only grouts viscosity time-varying characteristics but also mechanical aperture and roughness of fracture and underground water and so on, in which the relationship between model aperture and mechanical aperture, roughness coefficient is considered, and the effect of groundwater pressure on grouts diffusing range was also considered. Heavy interior adjustable grouting testing platform will be developed. According to the factors such as different grouting materials, different water cement ratio, different fracture aperture, different grouting pressure, different water pressure and so on, the homogeneous experiment will be adopted to make series of interior grouting tests specifically, which is used to verify grouting theory model and reveal grouts spread pattern under different grouting materials, different water cement ratio, different grouting pressure and different water pressure. The interface touching characteristic of two-phase flow will be discussed and the experienced relational expression of migration distance of two-phase flow of grouts-water and above affecting factors will be established. Migration pattern of two-phase flow of grouts-water in fractured network of coal-rock masses will be simulated by adopting FORTRAN programming, which will be used in real engineering.

水害是威胁地下工程的主要自然灾害之一。在对地下工程动水运移规律调查研究的基础上，全面综合考虑影响浆液流动的关键因素，采用平行板模型建立既考虑浆液粘度时变性又考虑裂隙力学开度、粗糙度、地下水压等因素的单一裂隙浆—水两相流运移模型，建立模型开度与现场裂隙力学开度以及粗糙度之间的相互关系，探讨地下水压及流速对浆液扩散范围的影响；研发一套大型可调室内注浆试验平台，针对不同注浆材料（水泥浆液和水泥水玻璃浆液）、不同水灰比，不同裂隙开度、不同注浆压力、不同水压等因素，采用均匀实验法系统开展一系列室内注浆模拟试验，验证浆—水两相流注浆理论模型的同时，揭示不同注浆材料、不同水灰比、不同注浆压力、不同水压下浆液的扩散模式，探讨浆—水两相流的锋面接触特征；建立浆—水两相流运移距离与各影响因素之间的经验关系式，最后，利用FORTRAN语言自编程序模拟煤岩体裂隙网络浆—水两相流运移规律，并推广应用于实际工程中。

地下工程水害的防治不仅对地下工程自身和工人的生命财产安全具有重要现实意义，而且对于国家资源的充分开发利用、生态环境保护和国民经济可持续性发展有着极其重要的意义。注浆法作为一项实用性强、应用范围广的技术，是我国地下工程水害防治的一种重要方法。因此，系统研究动水作用下浆液在裂隙煤—岩体中的扩散机制和封堵机理，并将理论成果应用于工程实际，具有重要的价值。.课题基于宾汉流体的本构关系，建立单一裂隙动水注浆多因素运移模型。根据注浆过程中浆液的受力特征，利用流体质量守恒方程和运动方程进行理论推导，建立考虑多因素的动水注浆模型，分析浆—水两相流场中浆液的扩散半径、扩散形态与注浆时间、注浆压力、注浆材料特性参数等因素之间的关系，为煤—岩体裂隙浆—水运移扩散行为研究奠定理论基础；自主设计研发了一套多功能动水注浆模拟试验平台，主要由裂隙模拟系统，动水水源系统，注浆系统，水流速度、压力数据采集系统，模拟粗糙结构面装置，试验框架系统，浆液流动可视化装置等组成，试验研究了不同注浆压力、水流速度、注浆材料、裂隙开度等试验条件下的注浆效果以及浆液的扩散机制，重点分析了水泥浆液在不同水灰比、不同注浆压力下对注浆效果的影响，观察纯水泥浆液在不同试验条件下的扩散规律，比较各个试验条件下的注浆效果及浆液扩散规律并分析了投放骨料降低动水流速的工艺方法。最后采用FLUENT流体力学软件多相流模型中的VOF模型，模拟和分析在浆—水两相流体场中，水泥浆液的扩散形态、规律以及不同注浆条件下的流场细部规律等，并将模拟得到的结果与试验结果和理论分析结果进行对比分析，研究成果具有较为重要的推广价值。