大流量岩溶管道涌水封堵机理与方法研究

【摘要】：岩溶地区地下岩溶管道、溶洞及裂隙发育,地下工程开挖过程极易诱发突涌水灾害。其中,大流量岩溶管道的涌水致灾性强,封堵治理难度极大,已成为地下工程建设中的重大难题与挑战,也是亟需解决的关键科学问题。本文通过理论研究、实验室实验、数值分析和现场应用相结合的方法,研究了岩溶地区大流量岩溶管道的控流降速与注浆封堵机理,提出了大流量岩溶管道涌水的成套封堵治理方法,主要成果成功应用于国内最大的凹陷式石灰石矿山岩溶涌水治理。主要研究内容和成果如下:(1)通过对岩溶管道涌水特征进行分析,概化了岩溶管道型涌水模型;基于水击现象及水力学机理,在大流量非恒定流方程基础上建立了管道涌水的控流降速模型;通过推导管道型涌水运动方程,提出了控流降速压强的计算公式,从而揭示了控流降速机理,形成了岩溶管道涌水控流降速方法。(2)开展了管道型涌水控流降速室内试验,获得了管道内流体流速、压力与孔口控流的变化规律。试验表明:阀门开度与控流后管道内水流速之间具有指数函数关系式,即v= 0.1743e2.5543d,控流对管道内水流速度具有显著的降低效果。结合Comsol数值分析,开展了大流量管道涌水控流降速过程的数值模拟分析,进一步验证了控流降速的有效性。(3)根据浆料粘度的时变特性,分析了水泥浆和水泥基速凝浆料的理化性质,推导了一维管道中牛顿型浆液与宾汉姆型浆液的扩散方程,建立了一维管道注浆量与浆液扩散过程敏感参数的解析表达式,并开展了不同注浆参数下一维管道注浆量研究;建立了考虑典型浆液的浆液粘度时变性的浆-水两相流水平集数值计算方法,开展了动水管道注浆扩散数值分析研究,揭示了大流量岩溶管道型涌水注浆封堵机理。(4)考虑钻孔信息、连通试验、抽水试验等信息,提出了岩溶凹陷式矿山径流场分区依据,运用典型体元原理对各计算分区进行赋值,建立了岩溶凹陷式矿山地下水渗流场分析方法;结合广西华润水泥河景岩溶凹陷式矿山径流带数值模拟分析,研究了不同时期岩溶矿山地下水渗流场特征,得到了矿山地下水水头、流线、流速等信息的分区与分布规律。验证了在矿山径流带区域施作非连续帷幕截流封堵的可行性,对比分析了非连续帷幕实施前、后矿区地下水流场变化特征,揭示了岩溶地区非连续帷幕的封堵机理。结果表明:施作非连续帷幕后,帷幕外地下水位提高,靠近矿坑涌水速度下降,径流带明显减弱,岩溶地区治水实施非连续帷幕具有较强的可行性和显著的封堵效果。(5)提出了“非连续帷幕截流+关键过水通道探查+止浆垫控流降速+联合注浆封堵+治理效果评价”的整套岩溶管道涌水系统封堵方法。结合物探、钻探与水文示踪试验等方法,可有效确定非连续帷幕封堵位置,实现岩溶过水主通道靶域精确锁定;通过设置控流降速止浆垫,可有效降低管道内水流速度,大幅提高注浆封堵过程中浆液留存率;研发了适用于大流量岩溶管道抗分散的新型注浆材料,通过流量与压力控制优化了注浆封堵工艺,结合多孔联合注浆技术,可有效封堵大流量高流速岩溶管道涌水径流通道。(6)研究成果成功应用于国内最大凹陷式石灰石矿山-广西华润水泥(平南)公司河景石灰石矿山采坑特大涌水点封堵(单点涌水量71200 m3/d),总减水量84300 m3/d,确保了该矿山的正常安全生产,产生了显著的经济效益,形成了岩溶地区凹陷式矿山开采涌水综合治理理论技术体系,对类似工程具有重要的指导和借鉴意义。

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD745