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论文题目阳翼高速公路采空区注浆浆液扩散规律研究 专 业地质工程 硕 士 生刘 强 签名 指导教师张志沛 签名 摘 要 本文以阳翼高速公路下伏采空区注浆治理工程为工程背景， 根据采空区的工程地质 性质，利用概率积分法计算了个沿线各采空区剩余变形量，分析其稳定性。利用理论分 析，将采空区分为空洞或巷道、煤柱及岩土塌落体堆积区三种地质形态。利用正交法设 计了水泥粉煤灰浆液配比试验，得到了相关优化配比方案。利用 FLAC 3D数值模拟软件建 立了典型采空区简化模型，分别模拟了浆液在空洞及巷道中的自由扩散、在煤柱中的劈 裂注浆过程以及在岩土塌落堆积体中的渗透注浆过程。通过上述研究，得到以下结论 （1）各煤矿采空区剩余变形量大于高速公路相关规范要求最大剩余倾斜值 i3mm/m；最大剩余曲率 k0.210 -3/m；最大剩余水平变形量ε 2mm/m，为保证高 速公路的安全施工和运营，应针对各采空区采取相应治理措施。通过对采空区各治理方 案对比分析，选取全充填压力注浆法来治理煤矿采空区。 （2）水泥-粉煤灰浆液配比试验结果表明水固比在达到浆液灌注要求范围内越小 越好，水泥占固相质量分数在试验范围内大于 20％，养护期为 28d。单个配比方案的优 选条件为水固比为 11.5，水泥占固相质量分数为 30％，养护期为 28d。 （3）结合注浆理论及数值模拟结果表明浆液在采空区空洞及巷道中以自由扩散 的方式充填，在松散体中主要以渗透方式充填，在煤柱中以劈裂方式充填。其中，劈裂 注浆所需注浆压力较大，渗透注浆及自由扩散所需注浆压力较小。注浆使得岩土层的物 理力学性质得到提高。 关 键 词阳翼高速公路；采空区；注浆；扩散规律；数值模拟 论文类型应用研究型 Subject Regularity Research of Goaf Grouting Diffusion of Yang-Yi Freeway SpecialtyGeological Engineering Name Liu Qiang （（Signature）） InstructorZhang Zhi-pei （（Signature）） ABSTRACT Based on the engineering geological properties of underlying goafs of Yang-Yi freeway, taking the grouting treatment project as the project background, this paper calculated the residual deation along the goafs and analyzed their stability with the of probability integral. Using theoretical analysis, the goaf can be divided into three different s of geological accumulation area hollow or roadway and coal pillars and rock fall.The ratio of cement fly-ash grout experiment was designed by orthogonal , which obtained the relevant ratio optimization scheme.Numerical simulation software FLAC3D was used to establish the typical simplified model goaf, respectively to simulate the slurry in the cavity and the free diffusion in the drift, the splitting grouting process in coal pillar and deposit in rock and soil cave and the penetration grouting process. The following conclusions can be obtained through the above research 1 the coal goaf residual deation do not con to the requirements of the highway related specification. In order to guarantee the safety of the freeway construction and operation, corresponding control measures should be taking for goafs. Through the coMParison and analysis of goaf management scheme, this paper selected the full filling pressure grouting to control coal mine goaf. 2 the ratio results of fly ash gr and cement grouting test shows that the ratio between water and cement in meet the requirements of slurry filling range as small as possible, the cement of solid-phase mass fraction in the test range is more than 20, the curing period of 28 days. Ratio of a single scheme of optimizing conditions for water solid ratio of 11. 5, the cement of solid-phase mass fraction was 30, the curing period of 28 days. 3 Combined with grouting theory and the numerical simulation ,the results shows that the slurry in the roadway in the goaf cavity and filling in the of the free diffusion, mainly by infiltrators in the loose body filling, filling in splitting way in coal pillar. Among them, the splitting grouting, grouting pressure, grouting penetration diffusion of freedom and the grouting pressure is smaller. Grouting makes the physical and mechanical properties of rock and soil layer has improved greatly, its resistance to deation ability was greatly enhanced. Keywords Yang-Yi Free Way, Goaf, Grouting, Diffusion rule, Numerical simulation Thesis typeApplied Research 目 录 I 目目 录录 1 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2 1.2.1 注浆技术的起源和发展 ............................................................................................ 2 1.2.2 注浆技术应用 ............................................................................................................ 3 1.2.3 注浆理论研究现状 .................................................................................................... 4 1.3 研究内容与研究方法 ...................................................................................................... 5 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................... 5 1.3.2 研究方法 .................................................................................................................... 5 1.4 技术路线 .......................................................................................................................... 6 2 工程概况与工程地质条件 ................................................................................ 7 2.1 自然地理环境 .................................................................................................................. 7 2.1.1 地理位置 .................................................................................................................... 7 2.1.2 气象与水文 ................................................................................................................ 8 2.2 工程地质条件 .................................................................................................................. 8 2.2.1 地形地貌 .................................................................................................................... 8 2.2.2 地层岩性 .................................................................................................................... 8 2.2.3 水文地质条件 ............................................................................................................ 9 2.2.4 地质构造 .................................................................................................................... 9 2.2.5 地震 .......................................................................................................................... 10 2.2.6 不良工程地质问题 .................................................................................................. 10 2.3 本章小结 ........................................................................................................................ 10 3 煤矿采空区工程地质特征及稳定性分析 ...................................................... 11 3.1 沿线煤矿采空区工程地质特征 .................................................................................... 11 3.1.1 公路沿线煤矿开采概况 .......................................................................................... 11 3.1.2 采空区“三带”划分 ................................................................................................ 13 3.2 采空区稳定性分析 ........................................................................................................ 15 3.2.1 地表变形预测 .......................................................................................................... 16 3.2.2 剩余变形量的预测计算 .......................................................................................... 17 3.3 采空区对公路工程的危害 ............................................................................................ 18 3.4 煤矿采空区治理方案选取 ............................................................................................ 19 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 20 目 录 II 4 注浆理论及注浆加固过程分析 ..................................................................... 21 4.1 注浆理论 ........................................................................................................................ 21 4.2 浆液的流动特征 ............................................................................................................ 21 4.3 浆液在采空区内塌落岩土体中渗透注浆过程分析 .................................................... 22 4.3.1 采空区注浆工程浆液扩散特征实例分析 ............................................................. 24 4.3.2 浆液扩散半径分析 ................................................................................................. 26 4.4 浆液在采空区煤柱中劈裂注浆过程分析 .................................................................... 29 4.5 浆液在采空区空洞或巷道的自由扩散过程分析 ........................................................ 34 4.6 本章小结 ........................................................................................................................ 36 5 注浆材料及室内配比试验研究 ..................................................................... 37 5.1 浆材的选取及浆液要求 ................................................................................................ 37 5.1.1 浆材的选取 ............................................................................................................. 37 5.1.2 充填材料加固机理 .................................................................................................. 38 5.1.3 注浆浆液的特征要求 ............................................................................................. 40 5.2 试验条件及方案设计 .................................................................................................... 40 5.2.1 试验条件及方法 ..................................................................................................... 40 5.2.2 试验因素与水平安排 ............................................................................................. 41 5.2.3 单轴压缩试验 .......................................................................................................... 43 5.3 试验结果分析 ................................................................................................................ 44 5.3.1 各因素对结石体单轴抗压强度的影响分析 .......................................................... 44 5.3.2 满足要求的试验配比方案分析 .............................................................................. 46 5.4 本章小结 ........................................................................................................................ 47 6 典型路段采空区注浆浆液扩散数值模拟 ..................................................... 48 6.1 数值模拟技术及FLAC简介 .......................................................................................... 48 6.2 典型路段采空区工程地质概况 .................................................................................... 48 6.3 煤柱中劈裂注浆过程数值模拟 .................................................................................... 49 6.3.1 数值模拟模型建立 .................................................................................................. 49 6.3.2 数值模拟计算及结果分析 ..................................................................................... 50 6.4 采空区空洞或巷道中浆液自由扩散过程数值模拟 .................................................... 52 6.4.1 数值模拟模型建立 ................................................................................................. 52 6.4.2 数值模拟计算及结果分析 ..................................................................................... 53 6.5 塌落岩土体中渗透注浆充填过程数值模拟 ................................................................ 54 6.6 本章小结 ........................................................................................................................ 56 7 结论与展望 ...................................................................................................... 57 目 录 III 7.1 结论 ................................................................................................................................ 57 7.2 展望 ................................................................................................................................ 57 致 谢 ................................................................................................................. 59 参考文献 ............................................................................................................. 60 附 录 ................................................................................................................. 63 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 近十几年来，我国在经济发展中取得了举世瞩目的成就，其重要成就便是基础设施 建设，尤其是交通运输方面，为推动中国现代化做出了巨大贡献。据 2012 年全国交通 运输工作会议获悉2012 年我国新增公路通车里程 8.7 万公里，其中高速公路 1.1 万公 里，截至 2012 年底，我国高速公路通车总里程达 9.6 万公里，位居全球第二。根据“十 二五”高速公路发展规划，预计到 2015 年，国地两网高速公路共计通车里程将达 14 万 公里。 随着中国高速公路的迅速发展，很多地区，特别是煤炭资源丰富的地区，高速公路 常常不可避免地需要经过煤矿采空区。 下伏采空区的存在给高速公路的建设和运营带来 了特殊的困难。 采空区是指地下固体矿床开采后的空间及其围岩因失稳而产生位移、开裂、破碎垮 落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围。由于采空区 的存在，伴随着地表产生的连续或非连续的变形、裂缝或塌陷，对上覆高速公路路基、 路面或桥隧等构筑物将造成不同程度的影响和破坏[1 ～2]。为此，必须对公路经过的非稳 定采空区进行治理，以保证公路的建设和运营安全，而注浆是目前治理高速公路下伏采 空区最常用的技术手段之一[3]。 注浆是一项实用性强、应用较广泛的地下工程处理技术。它的实质是利用钻孔在一 定压力作用下，利用适当浆材（如由水泥，掺杂粉煤灰、砂子、粘土等混合而成的浆液） 将采空区空洞和覆岩裂隙进行充填、渗透和凝结加固，将松散的岩块或裂隙胶结成一个 结构稳定、强度大并联成一体的结石体，使整个采空区及其所处地基恢复为接近原始应 力状态或至少满足工程所需强度要求，从而彻底消除下部采空区的影响，进而消除上部 建筑工程的潜在安全隐患。 对采空区注浆的研究， 目前国内还处于基础理论比较缺乏的阶段， 存在许多可探讨、 有争议的注浆技术、研究手段的问题。很多学者从采空区勘察、稳定性评价和治理效果 检测等几个方面， 应用物理手段与计算机相结合的研究理论和方法进行了研究[4]， 其中， 前人对采空区勘察的研究工作大多只停留基本数据的提取上（如采深、采厚、采空区空 洞的预估等） ，未进行深层次的理论分析，因此，本次研究依据搜集到的实际采空区钻 孔资料，对其进行统计，通过理论计算，得出各采空区冒落带和导水裂隙带发育高度， 为采空区稳定性分析和注浆治理提供理论依据。 西安科技大学硕士学位论文 2 其次，目前针对采空区注浆工程中浆液扩散规律的研究却很少。基于此，本次研究 在理论研究的基础上，利用有限差分软件 FLAC3D，建立山西阳翼高速公路下伏煤矿采 空区的三维地质模型， 模拟分析浆液在岩土体裂隙中的渗透注浆和在煤柱中的劈裂注浆 过程以及在空洞或巷道中的自由扩散过程，以期获得相关规律和结论。 在注浆的实践方面，目前仍停留在实际工程项目的个例经验总结阶段，存在包括注 浆材料、注浆工艺、注浆效果监测与分析等多方面的技术性难题。采空区中采用注浆处 理时，浆材的选择尤为重要，既要考虑实际工程的强度要求，又要考虑是否经济方便运 输。其中，配比又是选择浆材之后的一项重要工作，目前大多数工程都是在开始注浆前 先做现场或室内配比试验，确定合适配比范围后才正式注浆。所以，本文结合阳翼高速 公路下伏煤矿采空区的注浆治理工程，通过室内配比试验及数据分析，找出浆液的最佳 配合比区域，具有实践应用价值。 煤炭是我国当前的主要能源。据统计，国内一次能源的生产和消费中，煤炭约占四 分之三。预计今后三、五十年里，煤炭作为我国第一能源的地位不会改变。中国是世界 最大的煤炭生产和消费国，而山西的煤炭产量约占全国的四分之一，是中国最大的产煤 省，因此也是采空区最多的地区。因此，以山西阳翼高速公路为例，研究路线经过的煤 矿采空区注浆过程扩散规律，既具有代表性，又具有现实推广意义通过室内试验找出 最佳浆材配比，为注浆工程提供参考；为采空区注浆治理提供理论依据，丰富注浆理论 及浆液扩散方面的数值模拟研究。 同时为今后类似的工程地质问题研究和工程处理提供 一定的参考。 1.2 国内外研究现状 采空区稳定性评价和处理技术是采空区问题研究的其中两个关键。 国内外学者在此 方面也作了大量的工作，其中稳定性分析方面的研究较多[5 ～11]。在处理技术方面，国内 应用最多的是注浆充填法，下面结合本次研究内容，着重介绍注浆技术的研究现状。 1.2.1 注浆技术的起源和发展 注浆技术作为工程界的一个新领域，仅有两百多年的历史。据文献记载，1802 年法 国人 Charles Berlghy 最早把注浆法用在 Dieppe 冲刷闸圬工墙的修理上。1826 年英国人 阿普丁发明了一种能在水中硬结的水硬性材料硅酸盐水泥。 1838 年， 英国汤姆逊隧道 首次采用水泥浆进行成功填充注入处理。 1920 年， 由德国的切凯尔斯基和荷兰工程师尤 斯登等人首先成功使用水玻璃和氯化钙作为注浆材料， 这常被看作是化学注浆应用的起 源，对注浆技术有较大的推动作用。 中国在 50 年代初期初步引入了注浆技术，并将其应用于解决一般岩基上面筑坝的 基础问题。从 50 年代后期开始应用注浆处理的越来越多，并对化学注浆开始研究，60 1 绪论 3 年代以后，研究并逐步开发出了丙烯、铬木素、聚氨、甲醛、环氧树脂、酚醛树脂等各 种浆材，并将注浆技术推广应用到水利水电工程、矿山坑道建设和地质钻孔漏失问题的 处理中。 70 年代， 开始在岩溶发育地区修建高坝， 为解决这类地质条件下坝基渗透问题， 发展了帷幕注浆法。20 世纪 80 年代以来，在注浆的许多方面，包括浆材品种、注浆工 艺、设备器材、自动控制、监测与检测手段等方面，都获得了重大发展和新的突破。其 中研究较多的是注浆材料方面。中科院戴安邦[12]提出的硅酸聚合机理，较好地解释了水 玻璃的凝胶现象，推动了我国水玻璃注浆材料的发展；叶作舟[13]研制出高渗透性的“中 化-798”环氧树脂类补强固结化学注浆材料； 杜嘉鸿等[14-15]的注浆材料和注浆技术 （尤其 是化学注浆）等方面的学术论文多次在国际研讨会上获得好评。目前我国已经可自行生 产和组合配比多种浆材，且这些浆材具有可注性能好、抗渗能力强、胶凝时间易于控制 及固结强度高等特点。 1.2.2 注浆技术应用 由于注浆是对岩土的原位加固，并能改变岩土固有的物理力学性质，所以它的应用 十分广泛，近些年来的高速公路下伏采空区治理中注浆的应用也越来越多。 孙忠弟[16]在大量采空区治理的实践经验基础上， 针对高速公路下伏采空区的注浆治 理进行了一系列的实际工程和相关理论的研究工作， 并形成一部对采空区治理具有极大 指导意义的专著高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集 ，取 得了相当的进展与突破。 雷雳鸣[17]结合太祁高速公路建设采空区的处治， 比较全面地阐述了全充填压力注入 水泥-粉煤灰浆法的施工工艺、工序要点、监理措施以及采空区工程质量的评定标准和 方法； 张志沛[18 ～19]总结了我国近年来高等级公路下伏煤矿采空区治理的机理和施工技术， 以及治理的标准、采空区注浆治理的范围、质量检测等基本内容，提出了公路下伏煤矿 采空区注浆治理存在的问题及解决的方法； 荆玉车[20]等对锦州至阜新至阜新高速公路煤矿采矿区进行了注浆处治设计， 取得了 良好的效果。 王卫军[21]等提出松散破碎围岩两步耦合的注浆技术与浆液扩散规律， 并结合工程实 践，取得了良好的支护效果，为巷道注浆提供了新思路和新方法。 闵卫鲸[22]等运用 FLAC3D 对不同加固范围情况下的采空区稳定性进行了数值分