深埋矿井高压涌水灾害注浆封堵机理三维模型试验研究

Relying on the engineering background of underground high-pressure gushing-water governance in Guotun and Yuncheng coal mines of Juye coalfield, we analyze the hydrogeology characteristics of water gushing hazards in deep-buried inundation mine area. Then making a research on water gushing hazards classification and establishing relevant geological models for dynamic water grouting. On this basis, large-scale three-dimensional dynamic water grouting model test is developed to simulate the three-dimensional high-pressure dynamic water environment for different water-bearing and water-conducting structures. Taken conventional cement grout, chemical grout and gel controllable grout as study object, dynamic water grouting model test is carried out respectively to investigate the grout diffusion rule under high-pressure dynamic water conditions. And then revealing the dissipation law and pressure transfer mechanism of grouting pressure along with grout diffusion. The grout diffusion equations, which are corresponding with different water hazards geological model, are established to reveal plugging mechanism for high-pressure water gushing. On this basis, combined with backing project, field grouting test is carried out. Then the determination method for grouting parameters and the ending standard for grouting are put forward to form technical and engineering methods which are applied to the high-pressure gushing-water plugging and grouting security control.It has important promotion value in the engeering projects to overcome the problems of plugging the high-pressure water gushing.

依托巨野煤田郭屯煤矿和郓城煤矿井下高压涌水治理工程背景，分析深埋大水矿井涌水灾害的水文地质特征，进行涌水灾害分类，并建立相应的动水注浆地质模型。在此基础上，研发大型三维动水注浆模型试验台，实现不同含、导水构造三维高压动水环境的模拟，以常规水泥浆液、化学浆液和凝胶可控浆液为研究对象，分别进行动水注浆模型试验，研究高压动水条件下浆液的扩散规律，揭示注浆压力随浆液扩散的耗散规律及压力传递机理。建立不同水害地质模型所对应的浆液扩散方程，揭示高压涌水封堵机理。在此基础上，结合依托工程进行现场注浆封堵试验。提出注浆参数确定方法和注浆结束标准，形成深埋矿井高压涌水封堵和注浆安全控制新技术。攻克高压动水封堵难题，具有重要的工程推广价值。

矿井及隧道突涌水灾害不仅仅是煤矿井下生产和隧道施工运营的安全隐患，同时恶化生态环境，破坏水资源。随着矿井开采及隧道开挖深度的增加，大埋深矿井的高压突涌水问题尤为突出，相关动水注浆理论、封堵机理以及技术工艺均不成熟，严重制肘矿山、隧道的建设。因此，本项目紧密结合国家能源建设及依托工程的重大需求，开展深埋矿井及隧道高压突涌水灾害注浆封堵机理研究，历经三年较为系统深入的研究，已完成项目计划书中所有内容和目标，重要进展如下：.（1）从矿山水害发生机制和导水通道特征角度将矿山水害划分为：断层导水型涌水、直接揭露含水层涌水和裂隙导水型涌水；针对不同突涌水类型，以裂隙与孔隙岩块间水量连续为耦合条件，建立了“双重介质渗流模型”。.（2）研发了三维注浆加固模型试验系统，尽可能还原了巷道或隧道断层实际地质环境，实现了复杂地质条件下地下工程地质灾害灾变过程及注浆治理模型试验研究。首次开展了松散破碎带灾后抢险注浆加固、超前主动注浆加固小孔径小流量原型试验，以及注浆加固岩体开挖稳定性试验。.（3）针对松散软弱介质易于浆液扩散的特点，提出了优势扩散区的概念，并根据浆液的扩散形式不同，分为渗透型优势扩散区和压缩型优势扩散区。在渗透型优势扩散条件下，把浆液的扩散过程分为：优势扩散区充填阶段、压密扩张阶段和劈裂扩散阶段。在压缩型优势扩散区条件下，浆液仍以劈裂扩散为主，劈裂通道形式对研究浆液的扩散有重要影响，在特定的假设条件下，浆液压力与扩散距离的关系可以简化为包含劈裂通道函数l(x)的函数。.（4）基于多元特征信息采集及分析，研究了注浆加固试验中土压力、渗透压力、位移等物理场变化规律，揭示了注浆荷载传递时空效应和浆液扩散优势路径。注浆过程中，土压力和渗透压力随注浆压力升高而激增，于注浆终压时刻达到峰值，且渗透压力对注浆荷载敏感程度更高，表现为响应时间大大缩短。监测点响应特征(响应时间及响应程度)受控于监测点-注浆点相对位置和浆液扩散路径。.本项目成果在江西永莲隧道和山东郭屯煤矿开展了较成功的工程验证。项目执行过程中，共发表SCI和EI收录论文6篇，申请国内发明专利11项，正在指导硕士生1名，协助培养博士毕业生2名，协助培养硕士毕业生3名。