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深部矿井构造探测与随机隙宽裂隙注浆模型研究

作　者: 范波
导　师: 罗平平
学　校: 河南理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 岩土工程三维地震勘探瞬变电磁法注浆材料分形随机隙宽
分类号: P631.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文旨在服务煤矿安全生产,以深部矿井底板奥灰突水防治为目标,紧紧围绕“探、防”两个关键治水环节,结合工程实例,从地层隐伏导含水构造的综合物探应用出发,就其中遇到的问题和注浆材料配比试验以及裂隙岩体浆液渗透规律展开了较为深入的研究探索,取得了一些有益成果,主要有:(1)参考矿区已有水文地质资料并根据地震波动力学和运动学原理,对采区较大范围内深部岩体开展现场地面三维地震勘探。结合现场前期地震试验工作,确定了数据采集系统的合理布置方式,经一系列震前校正,通过对时间剖面、顺层、水平切片和方差体切片的分析,最终查明解释了测区内断层构造的产状和空间展布情况。(2)结合三维地震勘探成果对采区深部岩体断层导水通道的解释,利用基于低阻电性体对高频电磁场二次散射原理的井下瞬变电磁法对巷道底板80m范围内富水异常区展开了小范围细部补充勘测。根据现场工作环境,选定采用共面同轴偶极回线装置布线施工,经瞬变响应分析发现小断层与深部低阻异常体的沟通会使响应曲线发生较大斜率的曲折,而采用Bz计算得到的视电阻率值具有单值稳定可靠的特点。最后应用时-深转换模型,正-反演处理得到了底板地层视电阻率断面图和水平切片图,进一步分析确定了存在突水危险的富水异常区域。(3)分析和研究不同配比的单液水泥浆、水泥-水玻璃浆液、水泥-粉煤灰浆液、超细水泥浆液的稠度、结石率、泌水性、单轴抗压强度等物理力学性能,同时也考虑了不同掺量减水剂对浆液力学性能的影响。试验研究发现,水泥-水玻璃浆较单液水泥浆泌水性低,稳定性好;水泥-粉煤灰浆液具有泌水性低、流动性较好的特点,达到最佳性能配比为水灰比0.8左右,粉煤灰在40～45%之间,减水剂掺量不大于1.0%;超细水泥浆液随减水剂掺量的提高流动性显著增大,其强度也随减水剂掺量的增大和水灰比的减小而明显提高。最后通过浆液与煤体胶结试验发现,其它条件一定的情况下,机械振捣的胶结体强度整体高于人工振捣的强度。而对于超细水泥,在两种振捣方法下强度提高不是很明显。(4)根据宾汉材料三维本构方程和不可压缩粘性流体N-S方程组,基于二维倾斜光滑平行板几何模型分析推导出宾汉浆液的流动方程,给出了恒定状态下单裂隙浆液流量计算公式。基于多重分数布朗运动分形理论构建了四种不同规则维数的裂隙面几何模型,继而对高度函数数据变换得到四组随机隙宽数据,从而较真实的反应了天然裂隙面隙宽分布的局部渐进自相似性。(5)通过随机隙宽单裂隙面浆液渗透数值模拟研究发现,压力等值线随时间延续呈现曲折扩散形式,反映了其各项异性渗透特征。闭合区分布形态随规则维数降低由点状散布趋向面状集中,其空间位置对浆液后期渗透压力和全程注浆时间影响很大;并且随着浆液入渗发展,节点压力由前期的较快单调增长到后期逐步趋于稳定,越靠近入渗边界的节点达到稳定压力所用时间越短。节点压力与时间成幂函数关系,通过曲线拟合给出了不同参数下的经验方程。(6)根据等效连续介质注浆理论,利用有限元方法模拟研究了某矿二水平东一新水仓顶板密集裂隙砂岩的多孔水泥-水玻璃双液注浆,发现了其各向同性渗透规律。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-33
  1.1 课题的提出及意义  13-15
  1.2 国内外研究现状及进展  15-30
    1.2.1 采区水文地质勘探方法发展现状  15-17
    1.2.2 注浆材料发展概况  17-25
    1.2.3 注浆理论研究现状及进展  25-30
  1.3 主要研究内容  30
  1.4 研究技术路线  30-33
2 采区深部岩体断层构造三维地震勘探研究  33-65
  2.1 概述  33
  2.2 地震勘探原理  33-38
    2.2.1 地震勘探控制方程  33-35
    2.2.2 地震波动力学特征  35-36
    2.2.3 地震波运动学特征  36-38
  2.3 应用研究  38-63
    2.3.1 测区地质条件  38-40
    2.3.2 数据采集  40-45
    2.3.3 数据处理  45-52
    2.3.4 资料解释  52-63
  2.4 本章小结  63-65
3 巷道底板富水异常区井下瞬变电磁法勘探研究  65-89
  3.1 概述  65
  3.2 电磁法勘探原理  65-70
    3.2.1 电磁感应法定解问题  65-66
    3.2.2 视电阻率计算方法  66-68
    3.2.3 时-深转换模型  68-70
  3.3 应用研究  70-88
    3.3.1 测区地质水文条件  70-71
    3.3.2 探测仪器设备  71-72
    3.3.3 现场施工布置  72-74
    3.3.4 数据处理与资料解释  74-88
  3.4 本章小结  88-89
4 注浆材料力学性能试验研究  89-109
  4.1 概述  89
  4.2 试验规程  89
  4.3 试验内容和方法  89-90
    4.3.1 试验内容  89-90
    4.3.2 试验方法  90
  4.4 试验材料和设备  90-93
    4.4.1 水泥  90
    4.4.2 水玻璃  90-91
    4.4.3 粉煤灰  91
    4.4.4 减水剂  91-92
    4.4.5 仪器设备  92-93
  4.5 试验分析  93-107
    4.5.1 水泥-水玻璃浆液配比试验与分析优化  93-96
    4.5.2 减水剂对单液水泥浆性能影响分析  96-97
    4.5.3 双液水泥-水玻璃浆液配比试验与分析优化  97-99
    4.5.4 水泥-粉煤灰浆液配比试验与分析优化  99-101
    4.5.5 超细水泥浆液配比试验与分析优化  101-102
    4.5.6 减水剂对超细水泥浆性能影响分析  102-105
    4.5.7 浆液与煤块胶结试验与分析  105-107
  4.6 本章小结  107-109
5 随机隙宽单裂隙注浆数值模拟  109-145
  5.1 概述  109
  5.2 宾汉浆液流动模型  109-116
    5.2.1 本构方程  109-110
    5.2.2 流动方程  110-111
    5.2.3 一种特殊情形的解析解  111-116
  5.3 随机隙宽单裂隙面几何模型  116-130
    5.3.1 分形H?lder 函数值计算  117-118
    5.3.2 多重分数布朗曲面构建  118-122
    5.3.3 分形随机隙宽裂隙面构建  122-130
  5.4 平面注浆数值模拟  130-143
    5.4.1 数值计算模型  130-131
    5.4.2 有限元方法求解  131-134
    5.4.3 算例  134-143
  5.5 本章小结  143-145
6 工程应用实例  145-155
  6.1 概述  145
  6.2 注浆工艺  145-149
    6.2.1 注浆参数确定  145-146
    6.2.2 注浆材料及设备  146-148
    6.2.3 注浆方式选择  148-149
  6.3 计算模型  149-150
  6.4 计算结果及分析  150-152
  6.5 小结  152-155
7 总结与展望  155-159
  7.1 主要结论  155-156
  7.2 创新点  156-157
  7.3 展望  157-159
参考文献  159-167
作者简历  167-169
学位论文数据集  169

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