实验研究泥浆流在采动裂隙长壁表土灌浆注入

文摘

泥浆流采动覆骨折是一个重要的理论概念的灌浆设计长壁表土灌浆注入工程。在这项研究中,一种视觉实验仿真系统的长壁表土灌浆设计研究流压力分布,整合,填补粉煤灰浆厚度在上覆岩层层理分离。实验表明,泥浆产生一个径向和双向流在nonpressure灌浆和礼物本身作为一个近似椭圆主导流道的压力下注入。这个通道横向扩大沿走向方向,逐渐变成表格了。泥浆压力增加灌浆时间增加。虽然压力曲线在不同地区表现出类似的趋势,他们的价值观没有减少井眼中心的距离在观测有所下降。出血和整合发生在泥浆就流出钻孔的骨折,和固结度增加注入井的距离的函数。出血水聚集不断层理的边界断裂分离,然后渗透和存储由底层基于注入地层压力。最后注射填充是表现为中心跟上大厚度的一半。本研究的设计和优化提供了理论依据表土灌浆注入在地下长壁开采。

1。介绍

地下长壁采煤引起运动和破碎地层,从而诱导垂直和水平骨折在上覆岩层1- - - - - -6]。采动裂隙传播逐渐从采空区地表,引起地表沉陷和相应的环境破坏7,8]。与此同时,这些骨折geofluids的流动路径,如甲烷(9)、水(10,11),和泥浆12- - - - - -14];相应的填满这些骨折可以减少地表沉陷在挖掘。浆液注入到上覆岩层层理骨折就是这样一种方法,用于控制开采沉陷[15- - - - - -18]。表土灌浆注入需要注入灌浆到采动床上用品骨折通过表面钻孔长壁的进步。这些分离水平裂缝形成的强和弱界面的岩层中开采。注射填充支持地面,减少地表沉陷。特别是,该技术已成功用于表面保护基础设施(18- - - - - -22]。

动态流浆的表土是注射的基础设计,如灌浆估计,灌浆压力决心和钻孔的布局。在这方面,以往的研究覆盖半径垂直注入层和流。例如,钻孔钻(8)、地面穿透雷达(23),和荧光的方法(24)被用来定位最终注入层表土(或注入层)。具体来说,宣et al。8)发现,注射填充是主要表现为注射地平线下面一个强大和厚岩层(关键层)注入井中。此外,粉煤灰水泥浆的流动半径进行了测试实验通过两个并行磁盘没有开采的模拟(25,26]。单个钻孔的实际流动半径决定了长壁覆注射用钻孔的方法连接(21)和井眼成像(23]。研究还涉及最后注射填充分布的理论模型,用于估计注射率(27]。

这些研究促使最后的理解用注浆填充在长壁开采后上覆岩层。然而,仍然有不足研究动态泥浆流在采动覆骨折。裂隙岩体注浆,广泛研究了浆液流动实验和建模(28- - - - - -30.];然而,骨折的孔径在这方面明显不同于在长壁表土注入工程。longwall-injected目标骨折与地下开采;它是高度依赖于矿业的高度可以达到米级,远远大于裂隙岩体注浆。因此,流模型在岩石断裂是不适用的长壁表土灌浆注入。

目前,长壁注入泥浆流仍不清楚,至少在流道和泥浆压力分布在床上用品分离。此外,常用的出血和整合粉煤灰砂浆,是一个典型的固液两相流,还需要调查开采上覆岩层注入。地球物理勘探方法被认为是不足以确定泥浆流,因为大深度低于地面(通常是400 - 500米),而井眼钻井只能透露最终填补分布在某个点而不是整个地下层面断裂分离。

考虑到这些问题,本研究运用实验方法(a)模仿长壁覆灌浆注入的过程中,(b)确定动态流动,压力分布,和整合,(c)填满泥浆的厚度不同的监测方法。

2。材料和方法

2.1。理论背景

孤立的表土灌浆注入是一种改进的技术对传统长壁覆注射(17,18,31日]。它包括钻井表面钻孔所选关键层随后注入泥浆进入分离骨折与高泵压力低于地层。高压产生的荷载效应,支持上面覆盖和契约基础坍塌和破碎岩石,因此诱导一个支持系统,地面,和控制地表沉陷(图1)。这项技术可以提高沉降减速比,因为一种改进注射50 - 60%的比例。

粉煤灰浆、固液两相流体作为一个典型的灌浆材料注塑工程,以及钻孔灌浆压力可以达到5 - 6 MPa。填写分离区后,浆发生出血和固结灌浆压力的作用下,最后形成一个压实填满身体(32]。因为床上用品分离程度定义最初的形成和扩大的动态过程,注射压力的变化相应地,流、出血、泥浆的整合也发展。在这方面,滕(33)总结了表土灌浆压力四个阶段根据实际工程数据:nonpressure,增加压力,稳定压力,和超压(图2)。灌浆压力为零。这对应于初始形成阶段的床上用品分离。随后,灌浆压力开始增加,因此表明充填速度的区别和分离断裂的形成速度逐渐降低。此外,压力达到覆层的重量,从而表明之间形成一个稳定的平衡是灌浆和分离。超压阶段,通常发生在最后阶段灌浆表明,灌浆速度大于分离率。压力阶段流体流动实验研究提供了依据。

2.2。实验系统

研究浆液流的复制在表土,我们建立了一个类似的仿真系统来仿真表土灌浆过程与灌浆地下开采。该系统包括主框架、灌浆系统、监测传感器,采集软件(图3)。

主框架是一个透明的有机玻璃做的表可以可视化泥浆流。框架的内部尺寸 长度、宽度和高度。它是用来模拟煤层,覆层,层理分离骨折被注入。底部的主框架是一个可移动的薄板与长度、宽度、厚度和100年20日和1厘米,分别用于模拟煤层。此举的薄板模拟采煤过程和采空区的形成。5厘米的宽度是左双方薄板和框架的内边界来仿真煤柱两侧的长壁板。类似的材料铺设在薄板层。这些包括直接的屋顶,屋顶,主要软岩层,和隔离层从下到上,厚度的3、2、3和1厘米(图4)。

主要直接的屋顶,屋顶,软岩层是由砂、碳酸钙、石膏和水。这些层是用来模拟采空区上方的塌落和断裂区。隔离层是由石蜡、液压油,滑石粉,河沙,稻草粉和水,用固相物质的比例1:2:5.7:34.2:1。下面的隔离层直接分离骨折允许nondisintegration,从而防止出血水进入岩层较低,导致解体。每个岩石的材料比和特征层表中列出1。当铺设每个岩层、云母层之间被效仿的床上用品。空间高度为0.5厘米被隔离层和上盖板之间的主框架来模拟初始分离区,是为了被注入。

灌浆系统包括浆搅拌机、注浆泵、管道、和钻孔。钻孔位于顶部的主框架。监控泥浆压力在分离骨折的不同位置,四个压力传感器(# 1 - 4在图5)均匀排列的中线上盖板的主要框架。他们与孔之间的距离是20、40、60岁,80厘米,是用来反映不同位置的压力差。注射填充体的厚度是由监测的位移降低隔离层的断裂分离。出于这个原因,三个位移传感器(S1-S3图5)在相等的时间间隔排列在倾斜方向上的主要框架,用于反映边界厚度差异和中间的骨折。压力位移传感器的相对位置,钻孔,长壁工作面在图所示5。

2.3。实验方法

根据工程的孤立的表土灌浆注入,粉煤灰浆被选为注射材料water-to-fly灰比为1.6:1(图6)。灌浆流率确定为300毫升/分钟。在长壁开采的面前,灌浆注入到预设分离骨折直到注射压力形成,以模拟泥浆流nonpressure阶段。一旦发展,压力灌浆在采矿开始。薄板是15厘米的距离从帧中提取每10分钟来模拟开采距离,和煤层开采了六次。在这个过程中,灌浆层分离区内同时进行,和隔离层的泥浆压力和位移监测。监控泥浆流道和整合,照相机是用来捕捉画面的上表面模型观察不断。在灌浆过程中,添加了一个彩色的示踪剂浆增强显示的结果。

3所示。结果与讨论

3.1。泥浆流

nonpressure和压力下的浆流阶段描述基于摄影监测结果。泥浆流在nonpressure阶段,主要表现在两个连续的阶段,即径向和双向的。在径向流阶段,近似给出的泥浆循环流动集中在灌浆孔,和浆液扩散半径的增加作为灌浆时间的函数。当泥浆的前部到达层分离的边界地带,泥浆被转移到双向流的边界约束,即平面流沿井眼(图的左右7)。当泥浆的前面到达正确的边界,泥浆改为单边流由于边界约束。

应用压力,泥浆流不再计划流,nonpressure阶段的情况,但出现了占主导地位的流道。英吉利海峡大约是椭圆的中心灌浆。随着灌浆体积的增加,渠道扩张(图的大小8)。占主导地位的流道沿走向方向(即扩大。,face advance direction), and the channel width was smaller than its length before it reached the strike boundary of the separation zone. To characterize the dominant flow channel, we defined a flow channel coefficient通道长度的比值,其宽度。

随着灌浆体积和压力继续增加,新注入的浆液受力导致现有的灌浆这剪切频道成立于early-filled并允许新的灌浆浆液流沿着这个通道。与此同时,占主导地位的流道是进化:的价值继续增加灌浆时间,大约是线性相关的时间(图9)。也就是说,占主导地位的流道逐渐发展成一个表格的形状(图10)。这是因为整合和灌浆的沉积趋势边界发生不断地(指节3.3)。

3.2。灌浆压力分布

灌浆压力分布的层理分离断裂是影响泥浆流的一个重要因素。发现无论在床上用品分离压力增加灌浆时间的函数,在不同的位置和压力曲线表现出类似的趋势(图(11日))。然而,在不同的压力并不等于分离。灌浆压力降低了灌浆孔的距离的函数,但减少并不大。特别是,不同位置的压力差异逐渐减少注射时间运行(图11 (b))。灌浆时间在1200年代的设置(初始注入阶段)生成以下压力传感器# 1 - 4为82%,43%,36%,和7%的孔压力,分别,而压力# 4(最远的从钻孔)仅为9%,在# 1(最接近钻孔)。如果灌浆时间被设定为3000年代(灌浆结束),压力传感器# 1 - 4达到98%,93%,92%,和28%,孔的压力,压力传感器# 1 - 3几乎是相同的。结果表明,灌浆压力降低泥浆流的方向,但有限的差异。它还表明,压力在任何位置都可以反映压力趋势在整个床上用品断裂分离。

3.3。泥浆整合和填补分布

确定泥浆的整合特征,有必要确定浆中固体颗粒的沉积速率。粉煤灰水泥浆作为固体颗粒的载体。固体颗粒的流速逐渐降低,因为出血的泥浆和最终沉积。防止固体颗粒沉淀,应该大于临界不淤流速速度(34]: 在哪里临界不淤流速,是特定的固体浓度,流道的宽度,是一个系数,满足 在哪里火山灰颗粒的密度。用方程(2在方程()1),我们得到

根据方程(3),固体颗粒的临界不淤流速确定粉煤灰浆是0.4 m / s。

泥浆注入到床上用品的流速分离骨折被流量限制和分离裂缝的大小,和满足 在哪里灌浆流,是分离裂缝宽度,是分离裂缝高度。根据方程(4),在床上用品的速度注入泥浆分离断裂为0.0033米/秒,或只是0.8%的临界不淤流速。这表明固体颗粒沉积(或泥浆)的出血发生快速入口从钻孔后断裂。这也是泥浆流的实验验证。

整合的泥浆在不同位置的层理分离区是不一样的,与泥浆速度密切相关。如果流量很低,固体颗粒将存款快;否则,整合速度会慢一些。由于宽度方向的边界的限制,流速小于,沿走向方向,和两人都小于临界不淤流速。因此,出血在宽度方向上的速度大于罢工的方向。在靠近边界的距离,速度小。因此,整合程度增加的距离中心沿宽度方向增加。出血水聚集在最前部的泥浆,并成立了一个“水带。”“水带”搬到床上用品的边界分离区连续推新注入的泥浆。最后,由于灌浆压力的作用,“水地带”里的水流入基础岩体和存储。 Figure12显示了合并浆的分离断裂带。

填充厚度分布宽度方向的决心与位移传感器。在灌浆初期(0 - 1200年代),填充厚度没有显著差异,而边界填充厚度占84%(图的中心13)。随着采空区体积的增加,灌浆的数量也增加了。受开采效果和灌浆压力的共同作用,隔离层开始表现出挠度变形,进一步允许大型注射空间。在矿业(3000年代),填充厚度方向沿宽度方向是不同的。两边厚度约0.53毫米(和开采高度的占5.3%),而在中心达到13.61毫米,占86.1%的矿业高度。因此,边界填充的厚度仅为3.8%的中心,和注射填充厚度分布表现为速度的一半,这是符合描述的模型(27]。这也进一步表明塌落和破碎岩石压实于灌浆压力的作用下,从而允许更大的可注射空间隔离层。

4所示。结论

长壁开采采动裂缝在上覆岩层形成的地表沉陷的关键原因。表土灌浆注入技术使用这些控制开采沉陷的骨折。在这项研究中,泥浆流的表土骨折进行了研究实验。

泥浆流的特点受到摄影nonpressure和压力得到监控。泥浆流动nonpressure阶段,主要表现在径向和双向阶段先后。在压力阶段,提出了作为一个几乎椭圆主导流道中心灌浆孔。这个通道逐渐扩大沿走向方向,其规模不断增加。流动通道系数提出了代表主要通道在不同的压力条件。这增加了一个高效的方式作为灌浆时间。这是归因于整合泥浆的边界。

泥浆压力的分布在矿业分离骨折也透露。无论在床上用品分离压力增加灌浆时间的函数。然而,在不同的压力并不等于分离。灌浆压力降低了灌浆孔,但减少并不大。然而,有趣的是,在不同位置的压力曲线表现出类似的趋势。这对确定钻孔连接提供了基础和压力监测在长壁表土灌浆注入。

的整合特征泥浆。进入分离骨折后,流速显著下降。这导致固体颗粒的沉积和出血的泥浆。泥浆固结速率是不一样的在每一个位置,在宽度方向上比,罢工的方向。特别是,泥浆的边界越近,越小速度。从钻孔越远,泥浆固结度越大。前出血水聚集在泥浆的一部分,形成了“水地带,”搬到床上用品的边界断裂。最后,“水地带”里的水流动向底层岩体和存储,因为灌浆压力的作用。填充厚度增加灌浆和开采时间的函数。这表明,屈服了裂隙岩体进一步压实,允许大型注射空间隔离层。 This finding may improve the estimation of the injection ratio.

数据可用性

研究数据用于支持本研究的发现可能发布的要求寄给相应的作者可以联系Li_Jian@cumt.edu.cn。部分或全部数据、模型或代码生成或通讯作者在研究过程中可以从使用要求(实验设备参数,实验室实验结果数据,实验结果,等等)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51604258)和中国奖学金委员会(201906425004)。

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