董書(shū)寧,楊志斌,朱明誠(chéng),張文忠,石 磊,牟 林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

礦井水害是煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中的五大災(zāi)害之一，由于我國(guó)復(fù)雜的煤田地質(zhì)構(gòu)造賦存條件，我國(guó)礦井水害事故一直是世界上最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其是突水災(zāi)害給我國(guó)煤礦造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了控制我國(guó)煤礦水害事故發(fā)展態(tài)勢(shì)和保持現(xiàn)有工作成效，《煤礦防治水細(xì)則》制定了“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”7項(xiàng)水害綜合治理措施，其中注漿堵水技術(shù)不僅可對(duì)水災(zāi)事故進(jìn)行災(zāi)前預(yù)防，更是當(dāng)前多數(shù)水災(zāi)事故發(fā)生后的主要治理手段[2-3]。

煤礦突水災(zāi)害發(fā)生后，為了降低經(jīng)濟(jì)損失和減少人員傷亡，常需同時(shí)實(shí)施礦井排水和注漿堵水兩項(xiàng)水災(zāi)綜合治理措施，因此搶險(xiǎn)救援期間的過(guò)水巷道截流常需在動(dòng)水條件下進(jìn)行。目前過(guò)水巷道動(dòng)水截流方法包括以下兩種[4]:一是常規(guī)的先期灌注骨料及輔料，后期進(jìn)行補(bǔ)充注漿;二是先期定點(diǎn)投放保漿袋囊，后期進(jìn)行補(bǔ)充注漿或后期灌注適量骨料后再補(bǔ)充注漿。第1種方法通常由于治理初期過(guò)水巷道斷面大、流速低、流量大的特征，導(dǎo)致骨料和漿液初期無(wú)效堆積和擴(kuò)散，造成搶險(xiǎn)救援工程量大且工期長(zhǎng)，而且后期容易發(fā)生次生災(zāi)害。第2種方法保漿袋囊可以快速縮小巷道過(guò)水?dāng)嗝?，提高流速，甚至減小流量，提高后期漿液和骨料灌注效率，縮減搶險(xiǎn)救援工程量和工期，其特殊的施工工藝，還可避免后期次生災(zāi)害的發(fā)生。

目前動(dòng)水注漿研究多集中在孔隙、裂隙、巖溶管道或這幾種介質(zhì)組合的介質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，對(duì)注漿技術(shù)、注漿材料、注漿理論、注漿實(shí)驗(yàn)等方面開(kāi)展了大量的研究工作[5-15]，但是關(guān)于過(guò)水巷道動(dòng)水截流的注漿堵水研究成果卻較少。國(guó)外鮮有關(guān)于過(guò)水巷道動(dòng)水截流的研究報(bào)道。過(guò)水巷道動(dòng)水截流自1984年在開(kāi)灤范各莊煤礦成功實(shí)施以來(lái)，先后在國(guó)內(nèi)的任樓煤礦、張集煤礦、東龐煤礦、駱駝山煤礦、桃園煤礦、潘二煤礦等礦井特大突水災(zāi)害搶險(xiǎn)救援中運(yùn)用，形成了一套集截流巷道選擇、透巷鉆孔布設(shè)和鉆探與注漿裝備、工藝、工序?yàn)橐惑w的過(guò)水巷道動(dòng)水截流技術(shù)體系[4,16-22]。但是，關(guān)于過(guò)水巷道動(dòng)水截流機(jī)理的研究卻少有涉及。文獻(xiàn)[23]利用Matlab對(duì)過(guò)水巷道動(dòng)水截流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在給定的過(guò)水巷道動(dòng)水截流條件下，骨料堆積體在巷道中接頂?shù)淖钚×?，注漿過(guò)程中滲流速度最大出現(xiàn)在封堵區(qū)域的頂部，隨著過(guò)水巷道封堵高度的增加突水流量逐漸減小。文獻(xiàn)[24-25]利用研制的小型圓型巷道骨料灌注封堵模擬平臺(tái)，對(duì)影響過(guò)水巷道動(dòng)水截流過(guò)程中骨料堆積接頂?shù)挠绊懸蛩睾陀绊懗潭冗M(jìn)行了研究，提出了骨料堆積體截流堵水效果的判據(jù)，并結(jié)合實(shí)際堵水工程分析了截流方案的合理性。文獻(xiàn)[26-27]較系統(tǒng)地對(duì)過(guò)水巷道動(dòng)水截流過(guò)程中，骨料運(yùn)移堆積規(guī)律、漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律和有效阻水段長(zhǎng)進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合實(shí)際堵水工程進(jìn)行了反演驗(yàn)算。文獻(xiàn)[16]提出在過(guò)水巷道中通過(guò)鉆孔定點(diǎn)投放大體積速凝早強(qiáng)水泥包的技術(shù)方法和專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行動(dòng)水截流，并在實(shí)際堵水工程中試驗(yàn)成功。文獻(xiàn)[28-29]利用研發(fā)的鉆孔控制注漿高效封堵關(guān)鍵技術(shù)及裝備，在實(shí)際堵水工程中，通過(guò)定點(diǎn)投放保漿袋囊和補(bǔ)充注漿的方法，成功實(shí)現(xiàn)過(guò)水巷道動(dòng)水截流，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)過(guò)水巷道動(dòng)水截流用時(shí)最短記錄。

以上研究表明，目前過(guò)水巷道動(dòng)水截流研究成果主要集中在技術(shù)工藝層面，少有的涉及動(dòng)水截流機(jī)理研究也僅涉及常規(guī)動(dòng)水截流方法，且多停留在單一數(shù)值模擬、小型單一骨料灌注物理模擬和單一理論分析層面，而鉆孔控制注漿動(dòng)水快速截流機(jī)理研究卻鮮有報(bào)道。由于過(guò)水巷道動(dòng)水截流隱蔽性極強(qiáng)，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿堵水工程再現(xiàn)動(dòng)水截流過(guò)程，后期更無(wú)法對(duì)注漿封堵體進(jìn)行解剖驗(yàn)證。因此，為了研究過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流機(jī)理，研制大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 巷道動(dòng)水截流水力學(xué)模型

煤礦突水要素包括突水水源、突水通道和突水量，假設(shè)截流巷道為水平巷道，則基于突水3要素構(gòu)建的巷道動(dòng)水截流水力學(xué)概化模型如圖1所示，圖中突水水源和突水通道可以為任意形式。突水水流從突水區(qū)(I區(qū))經(jīng)阻水區(qū)(II區(qū))流向排水區(qū)(III區(qū))，巷道截流期間動(dòng)水流量受突水區(qū)的突水水量、阻水區(qū)的過(guò)水?dāng)嗝婧团潘畢^(qū)的淹沒(méi)水位3者影響，其中突水區(qū)的突水水量反映突水通道的給水能力，阻水區(qū)的過(guò)水?dāng)嗝婧团潘畢^(qū)的淹沒(méi)水位反映過(guò)水巷道的阻水能力。

圖1 巷道動(dòng)水截流水力學(xué)概化模型

選擇圖1中的2-2斷面，建立其伯努利能量方程為

(1)

求解式(1)得到2-2斷面處的平均流速v為

(2)

根據(jù)水流連續(xù)性原理，計(jì)算得到突水水量為

(3)

式中，Z為突水點(diǎn)標(biāo)高;P為動(dòng)水壓強(qiáng);γ為水的容重;v為水流速度;g為重力加速度;Qt為突水量;At為突水通道斷面面積;H為突水水源水位。

突水災(zāi)害一旦發(fā)生后，突水通道性質(zhì)一般不會(huì)發(fā)生較大變化，因此，式(3)中的At可以視為常量，突水水量大小完全由突水水源水位H和突水通道與突水口連接點(diǎn)處的動(dòng)水壓強(qiáng)P決定。

在突水初期，2-2斷面為自由溢出面(h≤Z)，突水水流壓力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，P相對(duì)為0，突水流速最快，突水水量最大。隨著突水水源靜儲(chǔ)量的不斷消耗和礦井淹沒(méi)水位h的上升，H逐漸減小，P逐漸增大，突水水量逐漸減小。隨著突水水源降落漏斗范圍的不斷擴(kuò)大，其動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量逐漸增加，同時(shí)為了降低經(jīng)濟(jì)損失和減少人員傷亡，礦井不斷排水以控制淹沒(méi)水位上升，H降幅逐漸減小并趨于0，P增幅也逐漸減小并趨于0，突水水量逐漸趨于穩(wěn)定。

突水災(zāi)害發(fā)生時(shí)，雖然初期突水量較大，但搶險(xiǎn)救援過(guò)水巷道動(dòng)水截流注漿治理時(shí)，通常都在突水災(zāi)害發(fā)生一段時(shí)間之后，其一是因?yàn)閾岆U(xiǎn)救援設(shè)備裝運(yùn)需要時(shí)間，其二是因?yàn)橥赶镢@孔施工需要時(shí)間。因此，根據(jù)巷道動(dòng)水截流水力學(xué)模型可知，開(kāi)始實(shí)施注漿治理時(shí)，一般都在井筒淹沒(méi)水位被控制在某一水平且突水水量基本穩(wěn)定的條件下，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱兄茣r(shí)需滿足這一初始條件要求。

隨著截流巷道中封堵體的注漿建造，阻水段的過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u縮小，阻水區(qū)的過(guò)水能力逐漸減小。當(dāng)阻水區(qū)過(guò)水能力小于突水水量時(shí)，巷道中動(dòng)水流量開(kāi)始減小，H開(kāi)始增大。當(dāng)巷道截流成功后，巷道中動(dòng)水流量為0，H可恢復(fù)到突水前的靜止水位，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱兄茣r(shí)還需滿足這一邊界條件要求。

2 巷道動(dòng)水快速截流工程原型

2011-12-13，榆林市榆陽(yáng)區(qū)農(nóng)墾榆卜界煤礦1121工作面開(kāi)切眼4巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生突水，突水水源為燒變巖水，火燒區(qū)監(jiān)測(cè)井靜止水位+1 133 m，突水通道為巷道直接揭露火燒區(qū)，最大突水量達(dá)4 000 m3/h，后期穩(wěn)定突水量為1 200 m3/h，火燒區(qū)監(jiān)測(cè)井水位降至+1 123 m，礦井為降低經(jīng)濟(jì)損失，持續(xù)排水將井筒淹沒(méi)水位控制在+1 090 m，巷道動(dòng)水截流工況如圖2所示。

圖2 巷道動(dòng)水截流工況

為了快速封堵井下涌水，采用鉆孔控制注漿進(jìn)行巷道動(dòng)水截流，治理方案如圖3所示。工程施工流程為首先在遠(yuǎn)離突水點(diǎn)的前排3個(gè)控制注漿鉆孔中先后投放3個(gè)大、小保漿袋囊，其次再在靠近突水點(diǎn)的后排3個(gè)控制注漿鉆孔中投放3個(gè)小保漿袋囊，保漿袋囊控制注漿效果如圖4所示;然后，在控制注漿鉆孔中依次實(shí)施保漿袋外充填堆積注漿和升壓置換注漿;最后，利用礦井試排水再次在補(bǔ)強(qiáng)注漿鉆孔中進(jìn)行引流補(bǔ)強(qiáng)注漿。注漿治理過(guò)程中的水位流量變化曲線如圖5所示。

圖3 巷道動(dòng)水快速截流治理方案

圖4 保漿袋囊控制注漿示意

圖5 巷道動(dòng)水快速截流水位流量變化曲線

由圖5可以看出，鉆孔控制注漿初期，巷道動(dòng)水流量和淹沒(méi)水位基本不變，分析原因?yàn)橄锏乐型斗疟{袋囊數(shù)量少，保漿袋囊雖然縮小了巷道過(guò)水?dāng)嗝?，但巷道過(guò)水能力仍大于動(dòng)水流量。2012-04-05隨著第3個(gè)大保漿袋囊的投放，在礦井排水量基本不變和火燒區(qū)監(jiān)測(cè)井水位略微下降的條件下，榆卜界煤礦副井水位卻呈現(xiàn)大幅下降，分析原因?yàn)橄锏乐斜{袋囊縮小的過(guò)水?dāng)嗝娣纫咽蛊溥^(guò)水能力小于先前動(dòng)水流量，導(dǎo)致巷道突水水量減小，在礦井排水量和巷道突水水量差值因素作用下，榆卜界煤礦副井水位必然呈現(xiàn)下降，而且兩者的差值越大其水位下降幅度則越大。后期隨著保漿袋囊的繼續(xù)投放和袋外補(bǔ)充注漿，在礦井排水量減小的條件下，榆卜界煤礦副井水位仍然呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，而且火燒區(qū)監(jiān)測(cè)井水位呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，說(shuō)明巷道過(guò)水?dāng)嗝婧屯凰窟€在進(jìn)一步減小，截流效果越發(fā)明顯，2012-04-18隨著試排水試驗(yàn)的啟動(dòng)，榆卜界煤礦副井水位仍然呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)，而且下降幅度變大，同時(shí)火燒區(qū)監(jiān)測(cè)井水位繼續(xù)上升，說(shuō)明榆卜界煤礦突水災(zāi)害搶險(xiǎn)救援成功。后期巷道清淤發(fā)現(xiàn)井下阻水段長(zhǎng)僅28 m，殘余涌水量為0，堵水率100%，歷時(shí)僅18 d，創(chuàng)造了過(guò)水巷道動(dòng)水截流用時(shí)最短的世界紀(jì)錄。

3 大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

3.1 概念設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道動(dòng)水截流水力學(xué)模型和工程原型，大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先應(yīng)該滿足巷道動(dòng)水截流的初始條件和邊界條件要求，其次應(yīng)該具備控制注漿和補(bǔ)充注漿功能，能夠再現(xiàn)動(dòng)水快速截流過(guò)程，便于觀測(cè)保漿袋囊移動(dòng)規(guī)律和漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律，可以測(cè)試封堵體穩(wěn)定性能，達(dá)到研究封堵體形成機(jī)制的目的。因此，其應(yīng)包括4部分功能系統(tǒng)(模塊):保漿袋囊和漿液投注系統(tǒng)、動(dòng)力供水供漿系統(tǒng)、初始條件和邊界條件系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(1)保漿袋囊和漿液投注系統(tǒng)。主要由一定尺寸和一定耐壓及抗變形能力的過(guò)水巷道組成，過(guò)水巷道的設(shè)計(jì)反映了實(shí)驗(yàn)人員結(jié)合要研究的內(nèi)容對(duì)堵水工程原型特征的認(rèn)識(shí)和概化，這是動(dòng)水截流模型研制的重心，其不僅是保漿袋囊和漿液在受注體中運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律的模擬體現(xiàn)，也是動(dòng)水截流機(jī)理研究和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)依托的對(duì)象。

(2)動(dòng)力供水供漿系統(tǒng)。主要為動(dòng)水和灌漿創(chuàng)造一定的動(dòng)力條件，使動(dòng)水和漿液以一定的壓力和流量進(jìn)入受注體。這一功能系統(tǒng)是模擬動(dòng)水截流工藝條件的控制環(huán)節(jié)。

(3)初始條件和邊界條件系統(tǒng)。主要模擬堵水工程原型中與封堵體形成機(jī)制相關(guān)的堵水環(huán)境條件，在實(shí)驗(yàn)初期形成恒定的動(dòng)水壓力和動(dòng)水流量初始條件，在實(shí)驗(yàn)后期形成動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)水壓差和流量衰減邊界條件，這一功能系統(tǒng)應(yīng)考慮模擬巷道流場(chǎng)條件與原型在影響封堵體注漿建造機(jī)制方面是否相似。

(4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要對(duì)實(shí)驗(yàn)前后影響保漿袋囊移動(dòng)規(guī)律、漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律、封堵體形成機(jī)制及穩(wěn)定性能的漿-水流動(dòng)狀態(tài)、動(dòng)水壓力、動(dòng)水流量、動(dòng)水流速、注漿壓力、應(yīng)力應(yīng)變等所關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試采集，也包括實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)解剖封堵體數(shù)據(jù)的監(jiān)控測(cè)試。

3.2 設(shè)備組成

設(shè)備組成研制是概念設(shè)計(jì)的具體化和可操作化，某一個(gè)設(shè)計(jì)功能系統(tǒng)可能需要在多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，某一個(gè)設(shè)備研制在考慮其主要功能外，還要考慮兼?zhèn)淦渌O(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由如下6方面設(shè)備組成:大型巷道模擬實(shí)驗(yàn)艙、動(dòng)水模擬系統(tǒng)、控制注漿系統(tǒng)、穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)、安全分流系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，各設(shè)備系統(tǒng)間關(guān)系如圖6所示。

圖6 大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備組成概要

3.2.1大型巷道模擬實(shí)驗(yàn)艙

該裝置是大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，需綜合考慮對(duì)過(guò)水巷道、耐壓環(huán)境、抗變形能力及物理邊界的模擬，同時(shí)要滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的要求。

(1)實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)艙裝置包括不透明實(shí)驗(yàn)艙和透明實(shí)驗(yàn)艙兩種(圖7，8)，其中不透明實(shí)驗(yàn)艙主要用于模擬高壓條件下控制注漿保漿袋囊移動(dòng)規(guī)律和測(cè)試封堵體穩(wěn)定性能;透明實(shí)驗(yàn)艙主要用于再現(xiàn)動(dòng)水快速截流過(guò)程，模擬保漿袋囊投放后，補(bǔ)充注漿階段的漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律。兩種實(shí)驗(yàn)艙主體都為一段斷面0.5 m寬、0.4 m高的線性比例1∶10的巷道，用于模擬5 m寬、4 m高的截流巷道原型。國(guó)內(nèi)目前過(guò)水巷道動(dòng)水截流條件一般為突水點(diǎn)靜止水壓5 MPa，動(dòng)水流量2 000 m3/h，因此設(shè)計(jì)不透明實(shí)驗(yàn)艙承受最大水壓為5 MPa;透明實(shí)驗(yàn)艙主要用于再現(xiàn)動(dòng)水快速截流過(guò)程，設(shè)計(jì)其承受的最大水壓為0.3 MPa;2種實(shí)驗(yàn)艙的動(dòng)水流量都按流速相等原理設(shè)計(jì)為20 m3/h。

圖7 不透明實(shí)驗(yàn)艙裝置剖面結(jié)構(gòu)示意

不透明實(shí)驗(yàn)艙材質(zhì)為1020無(wú)縫鋼材，外側(cè)采用筒狀鋼結(jié)構(gòu)制作耐壓裝置，鋼筒內(nèi)徑1 m，共3節(jié)，單節(jié)長(zhǎng)度2 m，總長(zhǎng)6 m。每節(jié)鋼筒上方預(yù)留2個(gè)鉆孔，共6個(gè)鉆孔。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)采用混凝土模塊砌筑成寬0.5 m、高0.4 m的模擬巷道，在每個(gè)混凝土模塊垂直于水流方向等距設(shè)置摩阻溝槽，用于形成與原型相似的巷道物理邊界，溝槽內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變片以監(jiān)測(cè)封堵體建成后的穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)艙兩端均采用密封封頭。動(dòng)水從實(shí)驗(yàn)艙左側(cè)密封封頭流入，右側(cè)密封封頭流出，投袋和注漿從實(shí)驗(yàn)艙頂部預(yù)留的鉆孔進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)艙兩側(cè)的供水管路和回流管路分別安設(shè)有水源壓力傳感器、控制壓力傳感器、流量傳感器和控制回流閥，根據(jù)不同的研究需要，通過(guò)調(diào)節(jié)控制回流閥，可以形成不同動(dòng)水壓力、動(dòng)水流量條件下的注漿建造環(huán)境。

透明實(shí)驗(yàn)艙材質(zhì)包括1020無(wú)縫鋼材和鋼化玻璃，外側(cè)采用板狀矩形鋼結(jié)構(gòu)制作，矩形斷面寬0.5 m、高0.4 m，共3節(jié)，單節(jié)長(zhǎng)度3 m，總長(zhǎng)9 m，每節(jié)實(shí)驗(yàn)艙的左側(cè)、右側(cè)和頂部都預(yù)留7個(gè)孔眼，其中用作透視作用的孔眼采用鋼化玻璃通過(guò)法蘭盤(pán)與實(shí)驗(yàn)艙面板對(duì)接。實(shí)驗(yàn)艙底部澆筑10 mm厚的混凝土，以增加模擬巷道底板摩阻，用于形成與原型相似的巷道物理邊界。實(shí)驗(yàn)艙兩端也均采用密封封頭。透明實(shí)驗(yàn)艙的動(dòng)水截流工藝條件控制環(huán)節(jié)與不透明實(shí)驗(yàn)艙相同，兩者差異主要為耐壓能力和是否具備透視功能。

(2)實(shí)驗(yàn)艙耐壓及抗變形能力檢測(cè)。不透明實(shí)驗(yàn)艙由于實(shí)驗(yàn)后期要承受5 MPa的靜水壓力，為了確保實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行，對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)艙體進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算，采用有限元計(jì)算方法，在密閉實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壁施加5 MPa的壁面壓力，得到實(shí)驗(yàn)艙鋼筒和封頭的靜應(yīng)力分析結(jié)果如圖9，10所示。圖9，10驗(yàn)算結(jié)果表明，5 MPa的靜水壓力在實(shí)驗(yàn)艙鋼筒上可產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力不足300 MPa，在實(shí)驗(yàn)艙封頭上可產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力約為320 MPa，但是實(shí)驗(yàn)艙材質(zhì)1020鋼材的屈服應(yīng)力約為620 MPa，可以看出不透明實(shí)驗(yàn)艙的耐壓及抗變形能力滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)度要求。

圖9 實(shí)驗(yàn)艙1020鋼筒靜應(yīng)力分析(放大304倍)

圖10 實(shí)驗(yàn)艙1020封頭靜應(yīng)力分析(放大104倍)

3.2.2動(dòng)水模擬系統(tǒng)

包括水倉(cāng)、過(guò)濾器、沉定池等動(dòng)水循環(huán)設(shè)備，供水泵、供水管路、回流管路、壓力傳感器、流量傳感器、閘閥等動(dòng)水注入設(shè)備，是動(dòng)水截流工藝動(dòng)水控制環(huán)節(jié)的模擬，可實(shí)現(xiàn)最大390 L/min的動(dòng)水循環(huán)供應(yīng)。

3.2.3控制注漿系統(tǒng)

包括漿液的配置和攪拌容器、注漿泵、注漿管路、控制注漿鉆具、壓力儀表、閘閥等注入設(shè)備，是動(dòng)水截流工藝注漿控制環(huán)節(jié)的模擬，可實(shí)現(xiàn)最大90 L/min的漿液控制灌注?？刂谱{鉆具采用內(nèi)外雙管結(jié)構(gòu)(圖11)，保漿袋囊折疊安裝在內(nèi)外管壁之間。內(nèi)管(注漿管)底部連接球座，采用投球方式封堵內(nèi)管底部球座后，可向鉆具內(nèi)注入快速凝膠的水泥-水玻璃雙液漿，在注漿壓力的作用下推出內(nèi)管底部球座并拉出保漿袋囊，實(shí)現(xiàn)鉆具主體部分和拋離部分的分離。保漿袋囊上下兩頭袋口分別采用約束環(huán)和導(dǎo)袋環(huán)控制，滿足保漿袋囊控制注漿及其拋離前后上下袋口收口需要?？焖倌z的漿液充填在保漿袋囊后，可形成可控范圍和固結(jié)質(zhì)量的結(jié)石體，落入巷道后可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)水巷道的快速截流。

圖11 控制注漿鉆具示意

3.2.4穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)

包括蓄能罐(每個(gè)蓄能罐容量為100 L)、進(jìn)水管路、排水管路、壓力儀表、電磁閥、閘閥等蓄能器組設(shè)備，是動(dòng)水截流工藝突水環(huán)境控制環(huán)節(jié)的模擬，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)初期在實(shí)驗(yàn)艙中形成恒定的動(dòng)水壓力和動(dòng)水流量初始條件，結(jié)合安全分流系統(tǒng)，同時(shí)用于實(shí)驗(yàn)后期在實(shí)驗(yàn)艙中形成動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)水壓差和流量衰減邊界條件。

3.2.5安全分流系統(tǒng)

包括排水管路、電磁閥、閘閥等分流設(shè)備，是動(dòng)水截流工藝注漿建造后期突水環(huán)境控制環(huán)節(jié)的模擬，結(jié)合穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)后期在實(shí)驗(yàn)艙中形成動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)水壓差和流量衰減邊界條件。

3.2.6圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

圖像采集主要由照相機(jī)、攝像機(jī)及圖像處理軟件完成，數(shù)據(jù)采集主要由儀表、傳感器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)完成。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)采集需要，采集儀器主要分布在大型巷道模擬實(shí)驗(yàn)艙、動(dòng)水模擬系統(tǒng)、控制注漿系統(tǒng)和穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)四大設(shè)備系統(tǒng)中。

根據(jù)概念設(shè)計(jì)模型和設(shè)備系統(tǒng)組成，完成的大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示。

4 模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程和功能驗(yàn)證

4.1 功能介紹

根據(jù)大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備系統(tǒng)組成，其可用于模擬不同礦井淹沒(méi)水位、不同突水水源水位條件下的寬5 m、高4 m、動(dòng)水流量2 000 m3/h的過(guò)水巷道快速截流封堵體形成機(jī)制研究，其中不透明實(shí)驗(yàn)艙模擬系統(tǒng)主要用于5 MPa突水水源水位和任意礦井淹沒(méi)水位壓力條件下的控制注漿保漿袋囊移動(dòng)規(guī)律和封堵體穩(wěn)定性能研究，透明實(shí)驗(yàn)艙模擬系統(tǒng)主要用于0.3 MPa動(dòng)水壓力條件下，保漿袋囊投放后的袋外補(bǔ)充注漿漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律研究。模擬系統(tǒng)功能如圖13所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)流程

基于大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)原理，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)采集和電控閥門(mén)邏輯控制，實(shí)驗(yàn)流程為:① 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，按研究需要設(shè)置截流成功后封堵體需承受的最大靜水壓力P1和礦井淹沒(méi)水位控制壓力P2及動(dòng)水流量Q。② 根據(jù)設(shè)置動(dòng)水流量Q進(jìn)行供水泵檔位選擇并啟動(dòng)供水泵。③ 調(diào)節(jié)控制回流閥至回流壓力傳感器壓力滿足實(shí)驗(yàn)壓力P2，系統(tǒng)發(fā)出第1次聲光信號(hào)。④ 系統(tǒng)按設(shè)置實(shí)驗(yàn)壓力P2自動(dòng)開(kāi)啟蓄能器組進(jìn)水通道穩(wěn)壓(按設(shè)置動(dòng)水流量Q選擇開(kāi)啟蓄能器組數(shù)量)，待回流壓力傳感器壓力回升至實(shí)驗(yàn)壓力P2，系統(tǒng)發(fā)出第2次聲光信號(hào)，提示可以進(jìn)行動(dòng)水截流模擬實(shí)驗(yàn)。⑤ 隨著保漿袋囊投放和漿液灌注，實(shí)驗(yàn)艙中阻水段過(guò)水?dāng)嗝娌粩鄿p小，供水壓力傳感器壓力將會(huì)升高，回流壓力傳感器壓力將會(huì)降低或保持不變，同時(shí)動(dòng)水流量將會(huì)減小，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)壓力P1,P2壓差，自動(dòng)按其三等分壓力遞增順序開(kāi)啟分流系統(tǒng)分流節(jié)流閥進(jìn)行分流，而且在供水壓力傳感器壓力分別升至P2+(P1-P2)/3,P2+(P1-P2)/3×2,P1時(shí)，系統(tǒng)分別發(fā)出一次聲光信號(hào)，提示分流系統(tǒng)分流成功。在此過(guò)程中，在供水壓力傳感器壓力升至P2+(P1-P2)/3之前、P2+(P1-P2)/3與P2+(P1-P2)/3×2之間、P2+(P1-P2)/3×2與P1之間，蓄能器組可對(duì)動(dòng)水流量減少量進(jìn)行分流，從而實(shí)現(xiàn)封堵體建造過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)水壓差和流量衰減條件。⑥ 當(dāng)系統(tǒng)最后一次發(fā)出聲光信號(hào)時(shí)，提示動(dòng)水截流模擬實(shí)驗(yàn)完成，關(guān)閉供水泵，打開(kāi)供水管路放水閥，卸樣觀測(cè)并采取圖像，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的全程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)樣品、圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理。

4.3 功能驗(yàn)證

根據(jù)研制的大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了一組穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和一組拋袋實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)P1,P2分別設(shè)置為5,2 MPa，拋袋實(shí)驗(yàn)P1,P2,Q分別設(shè)置為3 MPa,1.5 MPa,200 L/min，保漿袋囊形態(tài)為直徑0.35 m、長(zhǎng)0.6 m的圓柱形(V=0.058 m3)單保漿袋囊，其中監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)主要用于模擬動(dòng)水高壓條件下，模擬系統(tǒng)是否具備穩(wěn)壓穩(wěn)流功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示;拋袋實(shí)驗(yàn)主要用于模擬動(dòng)水高壓條件下，保漿袋囊控制注漿效果和移動(dòng)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15，16所示。

圖14 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)水壓流量變化曲線

圖15 拋袋實(shí)驗(yàn)水壓流量變化曲線

圖16 投袋后的封堵體形態(tài)

由圖14可以看出，在P2穩(wěn)定在設(shè)定壓力2 MPa時(shí)，P1和Q都能夠穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)初期形成恒定的動(dòng)水壓力和動(dòng)水流量初始條件。隨著P1的逐漸增大，P2和Q都逐漸減小，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)后期形成動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)水壓差和流量衰減邊界條件。另外，P1,P2,Q在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了模擬系統(tǒng)在動(dòng)水高壓條件下的穩(wěn)壓穩(wěn)流功能。

由圖15可以看出，在P2穩(wěn)定在設(shè)定壓力1.5 MPa時(shí)，P1和Q分別穩(wěn)定在1.51 MPa和200 L/min。實(shí)驗(yàn)后期至拋袋實(shí)驗(yàn)結(jié)束，P1,P2,Q都保持穩(wěn)定，其中P1,P2的動(dòng)水壓差始終保持在1～2 m的水頭差，另外控制注漿過(guò)程中的注漿壓力和應(yīng)變片監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變量也都保持不變，說(shuō)明保漿袋囊控制注漿未能減小動(dòng)水流量，必須通過(guò)后期袋外補(bǔ)充注漿進(jìn)一步減小過(guò)水?dāng)嗝?，才能?shí)現(xiàn)動(dòng)水快速截流成功。

由圖16可以看出，保漿袋囊雖然大幅減小了過(guò)水?dāng)嗝妫诒{袋囊兩側(cè)仍明顯存在殘余過(guò)水?dāng)嗝?。?shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)艙拆卸后的封堵體進(jìn)行測(cè)量，保漿袋囊位于其投放鉆孔的正下方，未發(fā)生移動(dòng)，充滿水泥漿液的保漿袋囊體積為0.038 m3，迎流面積為0.14 m2，說(shuō)明水泥漿液僅充滿保漿袋囊體積的66%即從控制注漿鉆具中脫落至巷道，其減小的巷道過(guò)水?dāng)嗝娣e僅為70%，此時(shí)殘余過(guò)水?dāng)嗝孢^(guò)水能力仍大于突水水量200 L/min，進(jìn)一步說(shuō)明必須通過(guò)后期補(bǔ)充注漿方能實(shí)現(xiàn)動(dòng)水快速截流成功。

監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和拋袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)壓力、穩(wěn)壓功能、分流功能、投袋注漿、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等方面都可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明研制的過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是合理可行的。

5 結(jié) 論

(1)建立了過(guò)水巷道動(dòng)水截流的水力學(xué)模型，結(jié)合過(guò)水巷道保漿袋囊控制注漿動(dòng)水快速截流成功案例分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的概念模型，認(rèn)為其應(yīng)具備的4個(gè)功能模塊分別為保漿袋囊和漿液投注系統(tǒng)、動(dòng)力供水供漿系統(tǒng)、初始條件和邊界條件系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)根據(jù)過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，構(gòu)建了其具體化和可操作化的設(shè)備組成系統(tǒng)，包括大型巷道模擬實(shí)驗(yàn)艙、動(dòng)水模擬系統(tǒng)、控制注漿系統(tǒng)、穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)、安全分流系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

(3)基于過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬實(shí)驗(yàn)研究需要，研制了不透明和透明兩種大型巷道模擬實(shí)驗(yàn)艙，并對(duì)具有耐壓和抗變形能力要求的不透明實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算，結(jié)果表明不透明實(shí)驗(yàn)艙可以滿足大型模擬實(shí)驗(yàn)條件要求。

(4)基于過(guò)水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)原理，給出了模擬實(shí)驗(yàn)操作流程，進(jìn)行了一組穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和一組拋袋實(shí)驗(yàn)，其中監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬系統(tǒng)可以滿足動(dòng)水快速截流堵水環(huán)境的初始條件和邊界條件要求;拋袋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明保漿袋囊在未充滿漿液的條件下提前脫落至巷道，單個(gè)保漿袋囊雖然未發(fā)生移動(dòng)且能大幅減小巷道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，但難以減小巷道突水水量，必須通過(guò)后期袋外補(bǔ)充注漿進(jìn)一步封堵，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)水快速截流成功，有待進(jìn)一步深入研究。