牟 林

突水礦井動(dòng)水巷道骨料灌注截流可視化平臺(tái)研制與試驗(yàn)研究

牟 林1,2

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 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)

通過骨料灌注法進(jìn)行動(dòng)水巷道截流堵水是礦井淹沒后進(jìn)行救援和復(fù)礦的重要方法。為研究骨料灌注截流堵水機(jī)理，基于水頭高度、流速、巷道尺寸、傾角、糙度、骨料粒徑、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流試驗(yàn)平臺(tái)，并依托平臺(tái)進(jìn)行單孔、多孔灌注試驗(yàn)，分析動(dòng)水巷道骨料運(yùn)移堆積規(guī)律。結(jié)果表明：骨料正常灌注期間堆積體具有向下游運(yùn)移生長的特性，迎水面和背水面由渦流控制的坡腳形態(tài)存在差異化現(xiàn)象；低流速條件下骨料會(huì)快速接頂且孔間存在空腔，高流速條件下孔間堆積體逐漸接龍、灌注量在下游相互疊加；殘余過水通道沿截面呈U形分布，存在擾流接頂效應(yīng)、空氣掏蝕效應(yīng)、堵孔效應(yīng)、潰壩沖刷效應(yīng)等典型動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象；結(jié)合解析法和數(shù)值法，對骨料顆粒的起動(dòng)速度及典型現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算和模擬，驗(yàn)證了試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性；通過漿液灌注實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證漿液配比和骨料粒徑對注漿效果存在重要影響，漿液在骨料堆積體中存在“上多下少”的空間分帶性。試驗(yàn)平臺(tái)的研制對截流堵水工程技術(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

動(dòng)水巷道；突水；骨料灌注；截流；試驗(yàn)平臺(tái)；可視化

礦井發(fā)生突水淹井后，采用骨料灌注法建造阻水墻是實(shí)現(xiàn)礦井救援和復(fù)礦的重要方法[1]，該技術(shù)一般分為骨料灌注截流階段和注漿加固階段，前者為決定堵水成敗的關(guān)鍵。由于地下工程的隱蔽性，動(dòng)水截流過程長期以來處于經(jīng)驗(yàn)摸索階段，亟待通過有效的研究途徑實(shí)現(xiàn)施工過程的技術(shù)優(yōu)化。

動(dòng)水截流技術(shù)在1984年開灤范各莊煤礦成功實(shí)現(xiàn)突水截流以來，先后在國內(nèi)多個(gè)煤礦的特大突水災(zāi)害搶險(xiǎn)救援中運(yùn)用，形成了一套集鉆探與注漿裝備、工藝為一體的動(dòng)水截流技術(shù)體系[2-9]。徐博會(huì)等[10]利用Matlab對動(dòng)水截流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出骨料接頂?shù)淖钚×?，且注漿加固階段最大滲流速度出現(xiàn)在頂部；王威[11]對骨料運(yùn)移及漿液擴(kuò)散規(guī)律和有效阻水段長進(jìn)行理論分析，結(jié)合工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證；惠爽[12]、李維欣[13]利用小型圓巷模擬平臺(tái)對截流過程進(jìn)行了研究，分析影響因素；董書寧團(tuán)隊(duì)[14-16]、建立水力學(xué)模型，對骨料灌注過程進(jìn)行了定量可視化仿真計(jì)算，采用解析法推導(dǎo)漿液的分布擴(kuò)散方程，分析了阻水墻加固后的應(yīng)力分布狀態(tài)，揭示阻水墻建造的一般規(guī)律。

以往動(dòng)水截流技術(shù)研究主要集中于現(xiàn)場施工技術(shù)與裝備工藝層面，近年來理論研究頻次呈逐漸增加趨勢。在基礎(chǔ)試驗(yàn)方面，全面考慮現(xiàn)場實(shí)際工況，成功揭示施工過程中的典型現(xiàn)象，驗(yàn)證截流堵水機(jī)理的可視化試驗(yàn)方法或平臺(tái)鮮有報(bào)道。筆者為研究和辨識現(xiàn)有動(dòng)水巷道截流技術(shù)理論，優(yōu)化截流堵水施工過程，基于相似理論研制可視化的骨料灌注試驗(yàn)平臺(tái)，對截流施工和突水救援具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 動(dòng)水截流堵水技術(shù)原型

動(dòng)水截流可分為4個(gè)階段：突水后水量穩(wěn)定階段，骨料鋪底–充填階段、接頂階段、注漿加固階段。動(dòng)水中骨料被水流攜帶至下游形成堆積段，通過削減一部分水壓力為注漿加固創(chuàng)造有利條件。圖1為基于經(jīng)驗(yàn)層面的骨料灌注截流施工過程示意圖，本文重點(diǎn)對第二、三階段的骨料運(yùn)移、堆積接頂規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，從現(xiàn)象和機(jī)理層面研究骨料灌注法封堵過水巷道的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 阻水墻施工過程

2 可視化試驗(yàn)平臺(tái)的研制

2.1 要素分析

如圖2所示，描述骨料灌注截流過程的水力學(xué)要素包括：突水水源、突水通道、過水巷道和骨料堆積段，概化的參數(shù)包括水源箱水頭高度、巷道流速、巷道尺寸、巷道傾角、巷壁糙度、骨料粒徑和灌注速度，此外還包括灌注次序和鉆孔間距等。

圖2 突水及治理模型

2.2 功能設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)盡可能滿足現(xiàn)場實(shí)際情況，在骨料灌注過程中，流量相對穩(wěn)定，進(jìn)入接頂后期流量下降，上游水壓上升。綜合以上技術(shù)細(xì)節(jié)及截流過程的基本要素，試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)能滿足以下功能：① 可提供穩(wěn)定水頭且可變流量；② 可調(diào)整艙體傾角；③ 可模擬光滑和粗糙2種巷道狀態(tài)；④ 可以控制骨料灌注速度；⑤ 可獲取巷道沿程水壓力分布數(shù)據(jù)；⑥ 試驗(yàn)艙透明，可觀察整個(gè)骨料灌注試驗(yàn)過程。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常見實(shí)際巷道典型尺寸為4 m×4 m，設(shè)定尺寸相似比1︰20，結(jié)合相似理論及試驗(yàn)要素，計(jì)算得出相似參數(shù)(表1)，其中除糙度、運(yùn)動(dòng)黏度、動(dòng)力黏度由于艙體材質(zhì)和水流黏性無法滿足相似比外(表1中方框標(biāo)示)，其他參數(shù)均滿足相似理論。糙度接近零時(shí)模擬光滑巷道，糙度為0.05時(shí)模擬粗糙巷道。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為5部分：巷道模擬系統(tǒng)、動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)、骨料灌注系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)功能分區(qū)如圖3所示，裝配情況如圖4所示，試驗(yàn)平臺(tái)真實(shí)還原了截流堵水過程的工程情景。

表1 相似模型參數(shù)取值

1—可變水位定水頭水箱；2—流量表；3—壓力傳感器；4—升降調(diào)節(jié)裝置；5—骨料灌注料斗；6—進(jìn)料孔；7—數(shù)據(jù)采集設(shè)備；8—計(jì)算機(jī)；9—循環(huán)水泵；10—照相機(jī)；11—模擬巷道系統(tǒng)；12—進(jìn)水口；13—備用孔

1) 巷道模擬系統(tǒng)

主材采用有機(jī)玻璃模擬矩形巷道(圖3中注釋4和注釋11)，通過法蘭盤連接，四周通過鋼筋螺母加固，進(jìn)水端設(shè)置多孔過水整流裝置，調(diào)整水流鋒面形成穩(wěn)定均勻的流場。巷道長度共650 cm，截面尺寸20 cm×20 cm，巷道內(nèi)部可設(shè)置鋼制網(wǎng)架模擬大糙度工況，艙體底部離地1 m，可模擬8°～ –8°的任意巷道傾角。

2) 動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)

動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)由定水頭控制系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)組成(圖3中注釋1，9，12)。定水頭控制系統(tǒng)由可變水頭水箱、溢流閥、水管、水表及壓力表組成；水循環(huán)系統(tǒng)由過濾儲(chǔ)水箱、循環(huán)水泵(25 m3/h)、水管組成。試驗(yàn)時(shí)開啟循環(huán)水泵，儲(chǔ)水箱中的水經(jīng)過水管循環(huán)至定水頭水箱，通過進(jìn)水閥和溢流閥控制艙內(nèi)流速和水頭高度。

3) 骨料灌注系統(tǒng)

骨料灌注系統(tǒng)由裝料斗、支架、電動(dòng)螺旋桿組成(圖3中注釋5，6，13)。灌注裝置的高度略低于定水位水箱高度，可根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整，確保下料管中水位低于出料口。試驗(yàn)開始前，將料斗放置于灌注孔的正上方，將出料口與鉆孔通過透明塑料管連接，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)工況打開或關(guān)閉料斗供料，通過螺桿馬達(dá)控制進(jìn)料速度，出現(xiàn)堵孔時(shí)可采用射流下料。

圖4 平臺(tái)裝配情況及糙度模擬裝置

4) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括流量表、壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)組成(圖3中注釋2，7，8)。在進(jìn)水端安裝流量表采集試驗(yàn)艙過水量；在試驗(yàn)艙頂?shù)装灏惭b壓力傳感器，檢測巷道長軸方向上的壓力分布。

5) 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)由2臺(tái)照相機(jī)組成(圖3中注釋10)，對骨料灌注過程中顆粒的運(yùn)動(dòng)過程、骨料堆積形態(tài)、骨料接頂過程進(jìn)行全程拍攝，記錄骨料灌注試驗(yàn)過程及關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，用于直觀分析和總結(jié)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

3 動(dòng)水截流骨料灌注試驗(yàn)

3.1 單孔灌注試驗(yàn)

根據(jù)相似比參數(shù)設(shè)定，當(dāng)初始流速為0.11 m/s時(shí)，艙體內(nèi)流量為15.84 m3/h，可模擬現(xiàn)場水量28 800 m3/h。為充分挖掘試驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載能力，使堆積體的形態(tài)在不同灌注階段充分發(fā)育，單孔灌注期間初始流量總體設(shè)定在13 m3/h左右，堆積形態(tài)穩(wěn)定后調(diào)整灌注速度及流量獲取其他工況數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)采用5種粒徑區(qū)間的骨料：2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm，每組分–8°(下山)、水平、8°(上山)3種條件，共計(jì)15個(gè)工況。以1～2 mm(圖5a)、0.1～0.2 mm(圖5b)和0.2～0.4 mm(圖6)為例，分析堆積演化過程。

3.1.1 堆積體形態(tài)演化一般過程

當(dāng)巷道中為靜水環(huán)境時(shí)，骨料下沉受有效重力、垂向拖曳力、垂向干涉力共同作用，顆粒粒徑越大，下沉速度越快，顆粒觸底后形成形態(tài)對稱的水下堆積體。隨著巷道中水流開始流動(dòng)，骨料顆粒下沉過程中除受上述垂向作用力之外，在水平方向還受水平拖曳力、水平干涉力的作用，骨料的落點(diǎn)位置(位移狀態(tài))由2個(gè)方向受力情況共同決定。如圖5a所示，以1～2 mm為例，動(dòng)水中骨料堆積初期，粗顆粒的堆積形態(tài)總體上為非對稱的金字塔形堆積體，粒徑越粗，輪廓愈顯著。如圖5b所示，以0.1～0.2 mm為例，細(xì)顆粒在初期的堆積狀態(tài)則有所不同，由于細(xì)顆粒的沉降速度小于粗顆粒，向下游運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和距離均比粗顆粒要長，堆積體在坡腳會(huì)向下游拉伸形成長長的拖尾，過長的拖尾段會(huì)增加骨料的灌注量，對于快速建造足夠長度的有效接頂段沒有實(shí)際意義。

圖5 粒徑1～2 mm 與0.1～0.2 mm骨料在不同坡度堆積形態(tài)的演化過程

骨料堆積至一定高度之后，堆積體頂部未接頂區(qū)內(nèi)流速逐漸增大，流場不斷被壓縮，如果被壓縮后流場的攜砂能力不足以將當(dāng)前灌注速度下的骨料順利攜帶至下游，則孔底堆積高度繼續(xù)增加直至率先接頂、堵孔。本次試驗(yàn)的初始流量為13 m3/h，換算流速為0.09 m/s，各粒徑區(qū)間的骨料在達(dá)到最大堆積高度之后均無法接頂，骨料被壓縮后的流場順勢搬運(yùn)至背水坡面。如果灌注期間下料速度、巷道流量保持不變，堆積體將在垂向保持高度不變、而軸向方向保持穩(wěn)定的生長狀態(tài)不斷向下游延伸。以上過程表明，初始流速滿足條件時(shí)，堆積體可通過不斷壓縮流場獲得持續(xù)的軸向生長能力，這反映了理想巷道條件下骨料堆積的一般規(guī)律。

3.1.2 迎水坡面與背水坡面休止角

詹義正等[17-19]分析了砂床動(dòng)水休止角的力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)休止角大小主要與流速和粒徑相關(guān)，本次單孔灌注試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一特點(diǎn)。該模型設(shè)定床砂已經(jīng)堆積至底部(或迅速下沉至底部)，不考慮水平位移，在迎水和背水坡面，水流的拖曳力分別起到削減和增加坡面角度的作用，導(dǎo)致迎水面的坡腳略小于背水面(圖5a)。對于粒徑更細(xì)的0.1～0.2 mm顆粒(圖5b)，堆積體形態(tài)從一開始就與其他相對粗的粒徑完全相反，主要原因是水流流速相對于骨料粒徑過快，向下游下沉期間發(fā)生的位移過大，無法滿足骨料迅速下沉的前提條件，其堆積形態(tài)是由2種效應(yīng)的疊加而成：①已有骨料堆積體受水平流速改造發(fā)生休止角變化；②骨料下沉期間在紊流場中發(fā)生水平運(yùn)移影響堆積形態(tài)。圖6可直觀看出背水坡面由2種效應(yīng)組成，近背水坡面坡腳陡傾，遠(yuǎn)離背水坡面向下游逐漸變緩，兩者間存在明顯的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。事實(shí)上，第二種效應(yīng)對于粗顆粒也存在，只是粗顆粒下沉速度快、水平運(yùn)移速度低，最終導(dǎo)致水平方向位移可以忽略不計(jì)。對于0.1～0.2 m顆粒，第二種效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，二者疊加后形成了表觀上與粗顆粒堆積體截然不同的形態(tài)。

圖6 迎水與背水坡面形態(tài)(0.2～0.4 mm)

3.2 多孔灌注試驗(yàn)

如圖7a所示，當(dāng)骨料灌注的速度及粒徑大于當(dāng)前流速攜砂能力時(shí)，骨料很快發(fā)生接頂，這種情況常見于灌注期間過水量較小的情況。2010年3月，駱駝山煤礦截流初期水量為3 850 m3/h(實(shí)際灌注期間小于該水量)，骨料用量僅75 m3即接頂堵孔，最后采用水泥–水玻璃雙液漿充填堆積體間空腔，水泥漿液可視為粒徑極細(xì)的骨料顆粒，在水流作用下攜帶至鉆孔下游的空腔進(jìn)行沉積和充填，這種“先粗后細(xì)”的施工方法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件綜合研判的結(jié)果。

圖7 孔間接龍及灌注量疊加效應(yīng)

當(dāng)骨料灌注期間流量較大，骨料灌注量能及時(shí)被水流攜帶至下游時(shí)，鉆孔之間的堆積段會(huì)不斷沿巷道長軸生長，直至相互接龍(圖7b)，接龍之后各孔的灌注量會(huì)進(jìn)一步疊加并壓縮過水通道，同等灌注條件下，由于骨料的疊加效應(yīng)(圖7c)，下游的骨料堆積高度大于上游鉆孔，即發(fā)生優(yōu)先接頂?shù)母怕蚀笥谏嫌毋@孔。實(shí)際灌注過程中各鉆孔的灌注速度、骨料粒徑、巷道糙度條件、排氣條件均存在較大差異，上述現(xiàn)象可能不明顯，但下游孔對截流的意義不容忽視。

3.3 接頂期間的水動(dòng)力現(xiàn)象

3.3.1 殘余過水通道

巷道的糙度對流場的影響不可忽視，本次試驗(yàn)采用亞克力管道模擬壁面光滑型的巷道，對應(yīng)到井下為展布平直的砌碹或噴漿巷道。巷道臨近接頂期間，殘余過水通道在長軸方向總體為均勻、層狀展布，通道內(nèi)中間低兩邊邊界層附近略高，呈現(xiàn)U字型分布。在孔底中央附近，受骨料補(bǔ)給作用，堆積高度最高，殘余通道高度最?。粌蓚?cè)受來水方向水流沖刷作用影響，殘余通道高度偏大。如圖8所示，由于巷道光滑平直，臨近接頂期間，骨料會(huì)在孔底附近優(yōu)先堵孔，造成無法有效接頂，形成這一現(xiàn)象的原因在于殘余通道內(nèi)的骨料補(bǔ)給源頭來自鉆孔底部，即使發(fā)生接頂，光滑巷道中鉆孔底部的優(yōu)先級始終高于其他位置，實(shí)現(xiàn)有效接頂?shù)碾y度較大。

對于粗糙型巷道，本次試驗(yàn)采用U型鋼制格柵模擬井下存在錨網(wǎng)支護(hù)、U型架棚支護(hù)的巷道條件。如圖9所示，隨著鋼制格柵的加入，巷道糙度發(fā)生改變，水流在經(jīng)過鋼制格柵附近時(shí)，發(fā)生劇烈的擾流效應(yīng)，形成向下掏蝕的漩渦，并將骨料拋擲到格柵中間的區(qū)域，形成中間高、兩邊低的堆積形態(tài)。由于糙度改變導(dǎo)致殘余過水通道在長軸方向不再均一展布，而是時(shí)高時(shí)低間歇性地發(fā)生切換。巷道糙度較大無疑增加了殘余過水通道形態(tài)的不穩(wěn)定性，使某些區(qū)域的接頂狀態(tài)甚至優(yōu)于孔底(圖9a)，隨著骨料粒徑及灌注順序的不斷改變，孔間可能出現(xiàn)多個(gè)局部接頂區(qū)域(圖9b)，當(dāng)接頂區(qū)域不斷增加并相互搭接達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，成功截流成為可能。從局部接頂位置(圖9c)頂部形態(tài)來看，鋼制格柵為骨料的滯留提供“庇護(hù)所”，相當(dāng)于增加了流場邊界層的范圍，這部分區(qū)域流速總體變緩有利于骨料的淤積。

圖8 光滑型巷道殘余過水通道空間形態(tài)

圖9 粗糙型巷道殘余過水通道空間形態(tài)

3.3.2 氣體掏蝕現(xiàn)象

現(xiàn)場灌注過程中，骨料和水流中不可避免會(huì)摻雜大量空氣，形成氣–固–液三相流順鉆孔進(jìn)入巷道內(nèi)部，當(dāng)氣體不能及時(shí)從排氣孔中排出時(shí)，會(huì)在巷道中聚集成團(tuán)，甚至連成一片。在水平巷道中，這種氣體團(tuán)聚效應(yīng)會(huì)壓縮頂部流場，相當(dāng)于巷道頂板發(fā)生變形下沉，導(dǎo)致流場劇烈擾動(dòng)，局部空氣聚集會(huì)使殘余通道呈凹形下陷，明顯降低堆積高度(圖10a、圖10b)，空氣大規(guī)模成片聚集，會(huì)使巷內(nèi)下游堆積體被壓縮后的流場整體掏蝕，形成大量無效堆積區(qū)域(圖10c)。對于傾斜巷道，空氣會(huì)向高程相對較高的區(qū)域聚集，雖然對骨料的堆積形態(tài)影響可以忽略不計(jì)，但如果沒有逸出通道，同樣也會(huì)不斷聚集并增加灌注區(qū)域內(nèi)的壓力，導(dǎo)致下料不順暢，因此，骨料灌注期間發(fā)生頻繁沖孔時(shí)，應(yīng)及時(shí)排氣或設(shè)置排氣鉆孔，將氣體排出，減少無效灌注工作量。試驗(yàn)表明，對于水平巷道，排氣孔設(shè)置在下游有利于氣體排出，對于灌注段有坡度的情況，排氣孔設(shè)置在高程相對較高的區(qū)域更有利于氣體排出，試驗(yàn)期間空氣對灌注的干擾作用與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相符。

圖10 空氣進(jìn)入后對流場及堆積形態(tài)的影響

3.3.3 孔底及孔內(nèi)堵孔現(xiàn)象

灌注過程中堵孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，堵孔分為4類，一類是水固比過低導(dǎo)致砂粒間由于液橋力發(fā)生聚團(tuán)，形成堵孔(圖11a)；二類是下料管道過長、垂直度偏低導(dǎo)致水流阻力過大，骨料流動(dòng)不暢形成堵孔；三類是骨料粒徑過粗導(dǎo)致孔底骨料運(yùn)移不暢，形成堵孔(圖11b)；四類是巷道內(nèi)氣體沒有及時(shí)排除，導(dǎo)致孔內(nèi)氣壓升高發(fā)生頂孔。減少堵孔的方法包括提高水固比、增加下料管直徑和垂直度、選用合適粒徑骨料、控制下料速度及設(shè)置必要的排氣鉆孔等。

3.3.4 清艙時(shí)的水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象

如圖12所示，在試驗(yàn)結(jié)束清倉時(shí)，下游放水壓力為零，瞬間增大了堆積段兩端壓差，水流加速，顆粒被瞬間起動(dòng)，空氣迅速進(jìn)入艙內(nèi)率先掏蝕堆積段下游，之后不斷延伸至上游，形成具有一定水力梯度的沙坡，在此期間，下游為非滿流狀態(tài)，這種現(xiàn)象屬于堆積段潰壩的一種類型；另外一種潰壩類型為堆積段接頂后因接頂區(qū)自身強(qiáng)度及穩(wěn)定性不夠，無法承受堆積段上下游的壓力差，水流發(fā)生滲流失穩(wěn)，出現(xiàn)管涌型潰壩，潰壩期間始終處于滿流狀態(tài)。不論哪種類型的潰壩現(xiàn)象，最薄弱的區(qū)域均在殘余通道內(nèi)，這部分區(qū)域?yàn)楹笃谧{的重要加固區(qū)域。

3.3.5 截流期間壓力響應(yīng)特征

以3.2 m3/h流量的截流試驗(yàn)為例，根據(jù)堆積情況實(shí)時(shí)匹配各鉆孔的投料粒徑，0～13 min采用射流灌注0.1～0.2 mm粒徑骨料，當(dāng)骨料堆積高度達(dá)到18 cm時(shí)，殘余通道高度約2 cm，頂區(qū)平均流速達(dá)到0.22 m/s，之后陸續(xù)采用0.5～1、1～2、2～4 mm進(jìn)行組合搭配，直至成功出現(xiàn)接頂段。圖13為灌注過程中各監(jiān)測孔的壓力響應(yīng)特征，0～45 min為鋪底和充填階段，該階段頂部未充填的空間足夠大，對水流產(chǎn)生的阻力較小，因此，傳感器水頭變化總體穩(wěn)定在正負(fù)零附近；45～75 min，隨著骨料灌注進(jìn)入接頂階段后，殘余通道被進(jìn)一步壓縮，水流速度增加，巷壁及骨料對水流的阻力開始顯現(xiàn)出來，巷道內(nèi)水位開始逐漸升高，變化量約0.5 m；75～100 min，結(jié)合接頂形勢進(jìn)一步調(diào)整各鉆孔骨料灌注配比，使殘余通道進(jìn)一步壓縮，巷道內(nèi)壓力明顯上升，表明灌注過程已全面進(jìn)入最后的截流階段，此時(shí)需反復(fù)調(diào)整骨料配比，保持灌注強(qiáng)度持續(xù)灌注直至截流成功。

4 試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性分析

4.1 解析法驗(yàn)證

表2統(tǒng)計(jì)了15個(gè)工況下單孔灌注試驗(yàn)的殘余通道高度i、骨料灌注速度i、初始流量及殘余通道平均流速d。起動(dòng)流速依據(jù)文獻(xiàn)[20]關(guān)于不同粒徑砂在水平明渠起動(dòng)流速的解析公式進(jìn)行計(jì)算，表2數(shù)據(jù)表明，殘余通道內(nèi)平均流速總體上略大于對應(yīng)粒徑的起動(dòng)流速解析值。在下山8°條件下，d與的上限最接近，水平巷道中次之，上山巷道中偏離最大。試驗(yàn)值略高于解析值上限的原因是：明渠和管道流流速分布存在差異，且骨料起動(dòng)概率遠(yuǎn)大于強(qiáng)動(dòng)狀態(tài)下的50%以上，因此，試驗(yàn)結(jié)果符合泥沙動(dòng)力學(xué)的一般規(guī)律。

筆者[21]通過解析模型求解了骨料顆粒起動(dòng)速度與坡度的關(guān)系，得出在下山8°、水平、上山8°巷道中相對起動(dòng)流速分別為0.89、1、1.09，即上山和下山中的比值約為1.22，最大相差約20%，從表1也可以得出類似規(guī)律，各級骨料(2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm)在上山和下山中，頂部未接頂空間流速比值分別為：1.27、1.27、1.26、1.13、1.52，均值1.29，略大于前述理論分析值1.22，這也說明了本試驗(yàn)?zāi)芘c解析模型較好地吻合。

4.2 數(shù)值法驗(yàn)證

牟林等[14]基于CFD-DEM耦合算法，對骨料灌注過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，先由Fluent將某一時(shí)間點(diǎn)的流場計(jì)算收斂，將流場信息轉(zhuǎn)化為DEM中作用在顆粒上的流體曳力，DEM計(jì)算每個(gè)顆粒所受的外力(曳力、重力及碰撞力等)，并由此更新顆粒位置、速度等信息，最后以動(dòng)量匯形式加到CFD中實(shí)現(xiàn)雙向耦合。

模擬時(shí)按照從細(xì)到粗依次投料，至接頂階段結(jié)合真實(shí)條件采用組合投料，模擬結(jié)果與試驗(yàn)平臺(tái)所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致，如高流速(圖14a)條件下堆積長度的軸向生長效應(yīng)、孔間堆積體的接龍效應(yīng)、骨料灌注量在下游的疊加效應(yīng)、接頂區(qū)的逆向生長效應(yīng)等典型規(guī)律，以及低流速(圖14b)條件下的快速接頂及孔間空腔等現(xiàn)象，驗(yàn)證了試驗(yàn)平臺(tái)能模擬骨料灌注截流過程的一般規(guī)律。數(shù)值模擬還發(fā)現(xiàn)未接頂區(qū)和堆積區(qū)分界對應(yīng)啟動(dòng)流速上限，堆積體形態(tài)由流場與灌注能力的動(dòng)態(tài)平衡決定，當(dāng)流場的攜帶能力小于灌注能力時(shí)，表現(xiàn)為接頂容易；反之接頂困難，這與平臺(tái)試驗(yàn)所顯現(xiàn)的規(guī)律一致。

表2 不同工況下殘余通道流速統(tǒng)計(jì)

注：畫下橫線數(shù)據(jù)為射流工況下的結(jié)果。

圖14 骨料灌注過程現(xiàn)象的數(shù)值模擬

5 動(dòng)水截流堵水機(jī)制分析

如圖15所示，阻水墻在不同的建造階段中水流流態(tài)存在明顯區(qū)別。骨料灌注目的是通過形成一定長度的堆積段，將灌注期間主流區(qū)內(nèi)的管道流逐漸轉(zhuǎn)化為骨料接頂期間內(nèi)的高速滲流，最后通過注漿加固將流態(tài)轉(zhuǎn)換成低速滲流，形成永久性的阻水體。

圖15 各階段流態(tài)空間分布特征

骨料鋪底–充填–接頂灌注期間的堆積過程存在向下游生長、孔間疊加、逆向接頂?shù)纫话阈砸?guī)律。骨料灌注過程常受現(xiàn)場條件影響，當(dāng)灌注次序和強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，需注重臨場感知和綜合判識，尤其是進(jìn)入接頂階段后需要反復(fù)調(diào)配比例和灌注強(qiáng)度，增大有效接頂段出現(xiàn)的概率，使隨機(jī)性接頂?shù)倪^程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌晒亓鞯谋厝皇录３晒禹敽蠖逊e段將進(jìn)入滲流狀態(tài)，殘余通道中漿液運(yùn)移阻力小，滲流速度最高，漿液占比最大，下部細(xì)骨料漿液運(yùn)移阻力大，滲流速度低，漿液占比少。如圖16a—圖16d所示，將量筒內(nèi)預(yù)先注滿不同粒徑(0～3、3～10、10～30 mm)骨料，之后加入不同水灰比漿液(4︰1、2︰1、1︰1、0.5︰1)，并觀測其可灌性。水灰比0.5︰1的漿液因黏度過高，不借助灌漿壓力無法在任何一種骨料中自由下滲，0～3 mm骨料由于空隙太小，也無法使任意一種漿液向下自由下滲。水灰比1︰1、2︰1、4︰1的漿液與3～10、10～30 mm的骨料搭配后，均能實(shí)現(xiàn)漿液向下自由滲流。但由于水泥絕對含量受水灰比約束，水灰比1︰1的漿液形成的結(jié)石體含量最高，能達(dá)到較好的封堵效果；隨著水灰比的降低，析出水的體積變大，結(jié)石效果變差。本試驗(yàn)說明了漿液配比和骨料粒徑對注漿效果的影響巨大，同時(shí)也證明漿液在巷道高度方向存在空間分帶性。圖16e進(jìn)一步模擬水灰比2︰1、4 m水壓差條件下通過不同粒徑骨料時(shí)漿液的分帶性，發(fā)現(xiàn)下部細(xì)骨料漿液含量遠(yuǎn)小于上部粗顆粒，表明堆積體中漿液的運(yùn)移規(guī)律區(qū)別于相對均質(zhì)的巖土體，表現(xiàn)為前期低壓階段以頂部殘余空間的充填為主，后期漿液在高壓作用下發(fā)生垂向滲透，進(jìn)漿量減少，注漿難度增加。

圖16 水泥漿液在骨料中的滲透現(xiàn)象

6 結(jié)論

a.考慮實(shí)際工況設(shè)計(jì)了骨料灌注截流可視化模擬試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)的基本組成包括巷道模擬系統(tǒng)、動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)、骨料灌注系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)。

b.堆積體具有向下游生長的特性，堆積體迎水面和背水面坡腳大小存在差異化的規(guī)律。低流速條件下骨料會(huì)快速接頂、高流速條件下孔間存在相互接龍并在下游相互疊加、逆向接頂?shù)幕疽?guī)律。

c. 平滑型巷道中存在殘余過水通道的U型分布特征、粗糙型巷道中的擾流接頂效應(yīng)、空氣的掏蝕效應(yīng)、堵孔效應(yīng)、潰壩沖刷效應(yīng)，證實(shí)了實(shí)際骨料灌注堆積過程的復(fù)雜性。

d.結(jié)合解析法得出同種顆粒在下山8°、水平、上山8°巷道中相對起動(dòng)流速分別為0.89、1、1.09，采用數(shù)值方法模擬了骨料的運(yùn)移規(guī)律，兩種方法均與試驗(yàn)平臺(tái)所取得的數(shù)據(jù)或規(guī)律一致，表明試驗(yàn)平臺(tái)能滿足動(dòng)水截流試驗(yàn)的技術(shù)要求。

e.注漿加固階段漿液配比及骨料粒徑對注漿效果存在重要影響，漿液在堆積體中存在“上多下少”的空間分帶性。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局. 煤礦防治水細(xì)則[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2018.

State Administration of Work Safety，National Coal Mine Safety Supervision Bureau. Coal mine water control rules[S]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，2018.

[2] 何思源. 開灤范各莊礦巖溶陷落柱特大突水災(zāi)害的治理[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，1986，14(2)：35–42.

HE Siyuan. Treatment of the great water inrush disaster of the karst collapse column in Fangezhuang mine[J]. Coal Geology & Exploration，1986，14(2)：35–42.

[3] 朱際維. 河北開灤礦務(wù)局范各莊礦奧灰?guī)r溶陷落柱特大突水災(zāi)害及治理[C]//巖石工程事故與災(zāi)害實(shí)錄(第一冊). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994：83–102.

ZHU Jiwei. Water inrush disaster and treatment of Ordovician limestone karst collapse column in Fangezhuang mine[C]//Record of Accidents and Disasters in Rock Engineering(Volume I). Beijing：China Architectecture & Building Press，1994：83–102.

[4] 王則才. 國家莊煤礦8101工作面動(dòng)水注漿堵水技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2004，32(4)：26–28.

WANG Zecai. Grouting technique for water-shut-off under water-flowing conditions in No.8101 work-face，Guojiazhuang Coal Mine[J]. Coal Geology & Exploration，2004，32(4)：26–28.

[5] 劉建功，趙慶彪，白忠勝，等. 東龐礦陷落柱特大突水災(zāi)害快速治理[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33(5)：4–7.

LIU Jiangong，ZHAO Qingbiao，BAI Zhongsheng，et al. Rapid holding and control for special large water inrush from sink hole in Dongpang Mine[J]. Coal Science and Technology，2005，33(5)：4–7.

[6] 南生輝. 綜合注漿法建造阻水墻技術(shù)[J]. 煤炭工程，2010，42(6)：29–31.

NAN Shenghui. Construction technology of water blocking wall by comprehensive grouting method[J]. Coal Engineering，2010，42(6)：29–31.

[7] 邵紅旗，王維. 雙液注漿法快速建造阻水墻封堵突水巷道[J]. 煤礦安全，2011，42(11)：40–43.

SHAO Hongqi，WANG Wei. Fast construction of water blocking wall to block water inrush roadway by double liquid grouting[J]. Safety in Coal Mines，2011，42(11)：40–43.

[8] 岳衛(wèi)振. 平衡壓力法在極松散煤巷注漿截流堵水中的應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2012，44(8)：40–42.

YUE Weizhen. Balanced pressure method applied to grouting and water sealing of loose seam gateway[J]. Coal Engineering，2012，44(8)：40–42.

[9] 姬中奎. 礦井特大突水巷道動(dòng)水截流鉆探技術(shù)研究[J]. 煤炭技術(shù)，2014，33(5)：12–14.

JI Zhongkui. Research on drilling technology for roadway dynamic water sealing in supergiant water inrush coal mine[J]. Coal Technology，2014，33(5)：12–14.

[10] 徐博會(huì)，丁述理，白峰青. 煤礦特大突水事故注漿堵水過程的數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(10)：1665–1669.

XU Bohui，DING Shuli，BAI Fengqing. Numerical simulation of grouting for stopping up water in water inrush accident of coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(10)：1665–1669.

[11] 王威. 動(dòng)水條件下堵巷截流技術(shù)與阻水段阻水能力研究[D]. 北京：煤炭科學(xué)研究總院，2012.

WANG Wei. Study on techniques of roadway-blocking & flow-cutting off under hydrodynamic conditions and capability evaluation of water-blocking segment[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2012.

[12] 惠爽. 礦井淹沒巷道多孔灌注骨料封堵模擬試驗(yàn)[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2018.

HUI Shuang. An experimental investigation on pouring aggregate to plug an inundated mine tunnel through boreholes[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2018.

[13] 李維欣. 圓型過水巷道骨料灌注模擬試驗(yàn)[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

LI Weixin. An experimental simulation on aggregate filling to horizontal circular tunnel with flowing water[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[14] 牟林，董書寧，鄭士田，等. 基于CFD-DEM耦合模型的阻水墻建造過程數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43(3)：481–491.

MOU Lin，DONG Shuning，ZHENG Shitian，et al. Numerical simulation of water blocking wall construction based on CFD-DEM coupling method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2021，43(3)：481–491.

[15] 董書寧，牟林. 突水淹沒礦井動(dòng)水巷道截流阻水墻建造技術(shù)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49(1)：294–303.

DONG Shuning，MOU Lin. Study on construction technology of water blocking wall in hydrodynamic pathway of submerged mine due to water inrush[J]. Coal Science and Technology，2021，49(1)：294–303.

[16] 牟林，董書寧. 截流巷道骨料堆積體中漿液運(yùn)移規(guī)律與阻水機(jī)制[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16(6)：1891–1900.

MOU Lin，DONG Shuning. Migration rule and water blocking mechanism of cement slurry in aggregate accumulation of underground tunnel closure[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2020，16(6)：1891–1900.

[17] ZHAN Yizheng，ZHANG Xianping，HUANG Ying，et al. The angle of repose for submerged non-cohesive sediment particles[C]//Proceedings of the Ninth International Symposium on River Sedimentation. Wuhan：State Key Laboratory of Water Resources and Hydopower Enginearing Science，Wuhan University，2004.

[18] 詹義正，黃衛(wèi)東，陳立，等. 均勻黏性–散體泥沙的統(tǒng)一水下休止角公式[C]//第六屆全國泥沙基本理論研究學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集. 鄭州：黃河水利出版社，2005：191–197.

ZHAN Yizheng，HUANG Weidong，CHEN Li，et al. Uniform angle of repose formula for uniform viscous and granular sediment [C]//Proceedings of the 6th National Symposium on Basic Theory of Sediment. Zhengzhou：The Yellow River Water Conservancy Press，2005：191–197.

[19] 詹義正，盧金友，曹志芳，等. 論動(dòng)水水下休止角與河岸理論邊坡[C]//長江護(hù)岸及堤防防滲工程論文選集. 北京：中國水利水電出版社，2003：218–223.

ZHAN Yizheng，LU Jinyou，CAO Zhifang，et al. On dynamic underwater angle and theoretical slope of river bank[C]//Proceedings of Yangtze River Revetment and Dike Seepage Control Engineering. Beijing：China Water & Power Press，2003：218–223.

[20] 何文社，方鐸，楊具瑞，等. 泥沙起動(dòng)流速研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2002，33(10)：51–56.

HE Wenshe，F(xiàn)ANG Duo，YANG Jurui，et al. Study on incipient velocity of sediment[J]. Shuili Xuebao，2002，33(10)：51–56.

[21] 牟林. 過水巷道中骨料起動(dòng)力學(xué)機(jī)制及兩相流耦合模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：161–169.

MOU Lin. Mechanism of aggregate start-up process and coupling of two-phase flow in hydrodynamic roadway[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：161–169.

Experimental study on visual system for water-blocking process of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mine

MOU Lin1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Blocking water of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mines is an important method for mine rescue. To study its mechanism, the experimental platform of similar simulation test was establishedbased on such factors as water head height, flow rate, roadway size, inclination angle, roughness, aggregate particle size and perfusion speed. Based on the platform, single-hole and multi-hole pouring tests were carried out to analyze the movement and accumulation law of aggregate in hydrodynamic pathway. The results are as follows. Firstly, the accumulation body has the characteristics of migration and growth to the downstream during the normal pouring period, and the formation mechanism of the slope shape of the upstream and downstream is confirmed. Under the condition of low flow rate, the aggregate will connect to the top in a rapid speed and there are cavities between the holes. Under the condition of high flow rate, the accumulation body between the holes will gradually connect and the pouring volume will be superimposed on each other downstream. Secondly, several typical phenomena are found, including the U-shaped distribution characteristics of the residual water passage, the disturbing flow top effect in the rough roadway, the air erosion effect, the hole plugging effect, and the dam break scouring effect. Thirdly, combined with analytical method and numerical method, the reliability of the test platform is verified from the starting speed of aggregate particles and the key phenomena in the process of aggregate accumulation. Finally, by a slurry grouting test, it is proved that the slurry ratio and the size of aggregate particles have a great influence on the grouting effect, and that the slurry has spatial zoning in the aggregate accumulation. The test platform has a guiding significance for the optimization of water-blocking engineering technology.

hydrodynamic pathway; water inrush; aggregate pouring; water-blocking; testing platform; visualization

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語音講解

TD741

A

1001-1986(2021)05-0156-11

2021-03-30；

2021-07-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0804106)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019XAYMS22)

牟林，1985年生，男，湖北松滋人，博士，副研究員，從事煤礦水害防治研究工作. E-mail：258323938@qq.com

牟林. 突水礦井動(dòng)水巷道骨料灌注截流可視化平臺(tái)研制與試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：156–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.017

MOU Lin. Experimental study on visual system for water-blocking process of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：156–166. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.017

(責(zé)任編輯 周建軍)