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基本信息
- 項目名稱：
- 地下工程突（涌）水的物理模擬試驗臺開發(fā)和注漿封堵新技術(shù)研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 涌突水是地下工程的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。實踐表明，注漿方法是涌突水封堵治理的有效技術(shù)手段。但是動水注漿理論尚不成熟，尤其是裂隙動水條件下漿液擴(kuò)散和封堵機(jī)理研究不足。針對上述問題，研發(fā)了準(zhǔn)三維裂隙動水注漿模型試驗臺，經(jīng)過試驗分析，首次提出水泥漿液的U形擴(kuò)散規(guī)律和分層分區(qū)擴(kuò)散機(jī)制，得到漿液的快速析水沉積原理和沉積留核擴(kuò)散規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，形成了以漿水比為核心控制因素的裂隙涌水注漿封堵新方法。
- 詳細(xì)介紹：
- 團(tuán)隊通過平常的學(xué)習(xí)和社會實踐認(rèn)識到，涌突水是地下工程的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。實踐表明，注漿方法是涌突水封堵治理的有效技術(shù)手段。但是動水注漿理論尚不成熟，尤其是裂隙動水條件下漿液擴(kuò)散和封堵機(jī)理研究不足，導(dǎo)致現(xiàn)存注漿工藝存在很大的經(jīng)驗性和盲目性。 針對上述問題，本項目： （1）研發(fā)了國內(nèi)外第一臺可視化大比例準(zhǔn)三維裂隙動水注漿物理模型試驗臺，能夠控制不同的流場條件，實現(xiàn)不同注漿參數(shù)下的漿液動水?dāng)U散和留存封堵模擬； （2）對漿液的動水注漿擴(kuò)散規(guī)律做了研究，首次提出裂隙動水注漿的U形擴(kuò)散規(guī)律，得出了漿液動水?dāng)U散公式,并提出了用漿液擴(kuò)散開度L和逆水?dāng)U散距離N描述漿液擴(kuò)散范圍的方法； （3）通過模型試驗的方法，針對水泥漿液的擴(kuò)散和封堵進(jìn)行了深入研究； ①首次提出了水泥漿液的分區(qū)分層擴(kuò)散機(jī)理，并研究了不同注漿參數(shù)與漿液的擴(kuò)散開度和逆水?dāng)U散半徑的關(guān)系； ②發(fā)現(xiàn)了動水注漿中水泥漿液的快速析水沉積現(xiàn)象，分析了裂隙動水對漿液水分的運(yùn)移襲奪作用，揭示了漿液的快速析水分層原理和沉積留存機(jī)理； ③提出了沉積留核的概念，用沉積留核描述水泥漿液的有效封堵區(qū)，得到了留核擴(kuò)散參數(shù)L0和N0與漿水比ζ的關(guān)系，得出水泥漿液形成有效沉積擴(kuò)散所對應(yīng)的漿水比ζ取值范圍為ζ∈[0.15,1.5]； ④結(jié)合水泥漿液的擴(kuò)散和留存封堵機(jī)理，提出了水泥漿液的動水封堵注漿施工技術(shù)，并在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗中得到了驗證。 （4）在龍固煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，首先優(yōu)選出關(guān)鍵孔，以漿水比ζ為核心調(diào)控因素，進(jìn)行注漿設(shè)計，然后通過信息化施工，最終成功封堵涌水，取得了經(jīng)濟(jì)效益，并驗證了研究結(jié)論，具有一定的理論意義和工程推廣價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 開發(fā)準(zhǔn)三維裂隙動水注漿模擬試驗臺，以此為平臺研究動水注漿擴(kuò)散和封堵機(jī)理，填補(bǔ)國內(nèi)外在此領(lǐng)域的空白，并基于此提出注漿封堵新技術(shù)，將成果應(yīng)用于地下工程突（涌）水災(zāi)害治理中，改變目前注漿存在較大盲目性和經(jīng)驗性的現(xiàn)狀，為注漿堵水提供了科學(xué)的理論依據(jù)。 基本思路： 我們采用模型試驗的方法，開發(fā)準(zhǔn)三維裂隙涌水注漿模型試驗臺，通過數(shù)值模擬分析注漿壓力、水流流速、漿液粘度、溫度等注漿參變量對漿液動水?dāng)U散的影響，提出水泥漿液的分區(qū)分層擴(kuò)散機(jī)制和沉積留存封堵機(jī)理，從而得出動水封堵新技術(shù)。 主要創(chuàng)新點： （1）研發(fā)了國內(nèi)外首臺動水注漿物理模擬試驗臺，能夠?qū)崿F(xiàn)裂隙動水環(huán)境模擬，進(jìn)行裂隙動水注漿封堵試驗； （2）首次提出漿液在裂隙動水條件下的U形擴(kuò)散規(guī)律，并給出了漿液U形擴(kuò)散的通用表達(dá)形式，豐富了現(xiàn)有注漿擴(kuò)散理論； （3）提出水泥漿液的分區(qū)分層擴(kuò)散機(jī)制和沉積留存封堵機(jī)理，提出沉積留核的概念和用漿水比ζ定量衡量漿液有效擴(kuò)散方法； （4）提出了動水注漿封堵新技術(shù)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 通過查新報告，我們了解到目前國內(nèi)外并沒有可以模擬動水注漿環(huán)境的物理模擬試驗臺，而且國內(nèi)外學(xué)者對動水注漿機(jī)理鮮有研究，特別是從未就漿液在動水中擴(kuò)散機(jī)制和封堵機(jī)理進(jìn)行深入研究。導(dǎo)致目前注漿存在較大的盲目性和經(jīng)驗性，理論和技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程需要。 作品通過研發(fā)國內(nèi)外首臺可視化準(zhǔn)三維裂隙動水注漿物理模擬試驗臺，得出動水中水泥漿液的擴(kuò)散和封堵機(jī)理，提出注漿封堵新技術(shù)，為注漿提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月，獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”校大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎 2011年6月，獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 適用范圍： 隧道、礦山、水利水電工程等。 推廣前景： 社會效益方面，突水災(zāi)害所帶來的人員傷亡非常大，每一項地下工程的完成都要付出無數(shù)鮮血的代價，而本研究成果可以有效減少人員傷亡，保證地下工程建設(shè)安全進(jìn)行。 經(jīng)濟(jì)效益方面，目前我國一個規(guī)模較大的礦井每年的排水費(fèi)用都在1000萬人民幣以上。在其他地下工程建設(shè)時，排水費(fèi)用也幾乎占到了工程預(yù)算的三分之一。本研究成果可以有效的降低工程經(jīng)濟(jì)投入，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。 環(huán)境效益方面，常年涌水對地下工程周邊圍巖具有沖刷和滲透作用，成為圍巖失穩(wěn)、支護(hù)垮塌的誘因；對地下水抽排導(dǎo)致孔隙水壓力減小甚至消散，易造成地表沉陷，從而引發(fā)地表建筑的不均勻沉降和樁基失穩(wěn)誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害；長期對地下水的襲奪，破壞了地下水補(bǔ)給和循環(huán)路徑，帶來了嚴(yán)重的水資源保護(hù)問題；對地下水的過度抽排，會導(dǎo)致該處的生態(tài)環(huán)境惡化。本研究成果可以有效的解決這些問題，有助于生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 注漿理論研究方面： 研究漿液在巖體裂隙內(nèi)流動規(guī)律十分復(fù)雜?，F(xiàn)階段只能利用裂隙巖體的一些滲流模型，研究漿液在較為簡單的裂隙模型內(nèi)流動規(guī)律。現(xiàn)有的注漿公式只限于水平單一裂隙或一組裂隙內(nèi)漿液的流動。Hassler等人用渠道網(wǎng)絡(luò)代替裂隙面，將二維輻射流簡化為一維直線流。在單條渠道內(nèi)，推導(dǎo)出了漿液運(yùn)動方程。 漿液擴(kuò)散理論的試驗研究現(xiàn)狀： 目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了一系列的注漿模擬試驗，嘗試建立各注漿參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到了一些注漿參數(shù)的經(jīng)驗公式。奧地利學(xué)者進(jìn)行了裂隙中漿液流動過程的模擬實驗研究，建立了注漿流量、注漿壓力及滲透距離之間的關(guān)系，并測得不同擴(kuò)散距離下裂隙內(nèi)漿液流量、注漿壓力及漿液粘度，還建立了粗糙度與注漿流量及漿液擴(kuò)散距離的關(guān)系式；瑞典學(xué)者T.Jamson、H.stille在斯德哥爾摩皇家技術(shù)研究所巖土力學(xué)室進(jìn)行了大量關(guān)于灌漿的基本力學(xué)研究工作，發(fā)展了三種裂隙注漿模擬模型；東北大學(xué)研制了槽形扁圓柱狀試驗臺，研究了多孔介質(zhì)體中注漿滲流過程的壓力分布及其隨擴(kuò)散距離衰減的規(guī)律。 存在問題： ①理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)經(jīng)驗，沒有建立符合實際的數(shù)學(xué)模型，更沒有考慮裂隙動水流場對漿液擴(kuò)散的影響，這與涌突水災(zāi)害嚴(yán)重不符，計算結(jié)論也與試驗規(guī)律差別甚大，隨著地下工程突涌水災(zāi)害的日趨嚴(yán)重和復(fù)雜，急需開展動水注漿擴(kuò)散及封堵理論的研究； ②擴(kuò)散機(jī)制方面的研究較少，沒有明確的針對漿液動水?dāng)U散機(jī)制方面的研究，更沒有針對動水流場的封堵機(jī)制的相關(guān)研究； ③基于科學(xué)理論指導(dǎo)的地下工程突水治理技術(shù)，研究嚴(yán)重不足，還有待于發(fā)展。
