目前,防治底板突涌水主要采用注浆改造技术,然而高承压含水层其水量大、水压高、流速快,对注浆浆液产生较大的流动阻力与侵蚀离散作用,导致浆液扩散距离短,成核速率慢,固结强度低,改造效果不理想。
在浆液扩散规律方面,现有研究仅考虑了水泥水化作用对浆液黏度的影响,未考虑析水作用对黏度的影响,难以应用现有的黏度时变方程与流变方程指导研究浆液扩散规律。山西亚美大宁能源有限公司姜淑印团队围绕PPGF浆液扩散规律与抗分散特征,通过开展不同聚丙烯酰胺掺量的浆液抗分散性试验、析水性试验以及黏度时变性试验,探究浆液析水对黏度时变特性的影响机制,建立考虑析水效应的PPGF浆液黏度时变方程与流变方程,揭示非静态含水层注浆浆液运动与流失的时空演化规律
聚丙烯酰胺对浆液析水特性的影响
PPGF浆液是以石墨烯为调控核心,通过纳米增强提升结石体力学性能与抗渗性,依托抗分散设计优化浆液扩散路径,最终实现含水层裂隙的致密封堵与岩体结构加固。为准确掌握浆液的扩散规律与抗分散特征,研究首先对浆液的析水特性进行测试分析。
图1 浆液析水性试验
测试发现,PPGF浆液析水率在前30min快速增长,随后30min慢速增长,最后逐步趋于稳定,总析水时长在70min左右。另外,PPGF浆液析水率随聚丙烯酰胺掺量的增加而减小,并且当掺量为3.0%与3.5%时,析水率降幅显著增大
图2 聚丙烯酰胺对析水率影响
聚丙烯酰胺对浆液抗分散性能的影响
经测试表明,加入聚丙烯酰胺后,浆液的流失率显著降低,说明聚丙烯酰胺对浆液抗分散性能有明显增强作用。而随着聚丙烯酰胺掺量的增加,浆液流失率呈现先减小再增大的变化规律。浆液流失率与流速也有关联,随着流速增加,浆液流失率呈非线性增大趋势,即流速越大,流失率越高,对于不同聚丙烯酰胺掺量来说,随着聚丙烯酰胺的掺入以及掺入量的增大,流速的增大对于浆液流失率的影响逐渐减小,即聚丙烯酰胺可以降低流速提高带来的浆液损失。
图3 水泥浆抗分散性测试方法
图4 聚丙烯酰胺掺量对浆液抗分散性能的影响
考虑析水效应的浆液黏度演化规律
采用转子固定式连续测量法对浆液黏度进行测试。测试表明,同一材料在不考虑析水效应与考虑析水效应时,黏度与时间之间均呈指数函数变化关系,但黏度时变系数不等。两者黏度时变系数的比例与浆液析水率之间具有显著相关性,即随着浆液析水率的降低,黏度时变系数的比例逐渐减小。另外根据测试得到的流变方程可知,PPGF浆液在考虑析水效应与不考虑析水效应时均为假塑性流体,符合幂律型流体特征。
图5 考虑析水效应与不考虑析水效应的黏度时变性对比
考虑析水效应的PPGF浆液流变模型
根据以上分析结果,基于假塑性流体的基本流变方程,考虑PPGF浆液的表观黏度与时间呈幂指数变化关系,对黏度时变系数进行修正,得到考虑浆液析水的流变方程:
动水条件下浆液扩散规律与流失特征
采用COMSOL两相达西流模块建立二维单孔数值模型,针对不同聚丙烯酰胺掺量、不同初始注浆压力作为分析要素,研究考虑浆液析水效应与否时的浆液扩散与抗分散规律。
加入聚丙烯酰胺后,PPGF浆液的顺水扩散距离和扩散宽度随着聚丙烯酰胺掺量的变化而变化。试验中,聚丙烯酰胺掺量为2.5%时,浆液的顺水扩散距离最大,混合宽度最小,扩散及抗分散性能最优。
图6 不同浆液在不同时刻的饱和度分布
在考虑浆液析水效应的情况下,以聚丙烯酰胺掺量为2.5%浆液为研究对象。当初始注浆压力等于含水层水压时,注浆初始阶段浆液难以向外扩散。而当注浆压力逐渐增加到某一值时,此时浆液能够充分向外扩散。通过对比考虑析水效应与不考虑析水效应条件下的浆液扩散距离可以发现,在考虑析水效应后,聚丙烯酰胺掺量为2.5%浆液的浆液扩散能力下降,抗分散性能增强。
图7 不同初始注浆压力的饱和度分布特征
原文下载
姜淑印,李向阳,杨超,等.考虑析水效应的PPGF浆液扩散规律与抗分散特征[J].金属矿山,2025(4):43-53.
作者简介
姜淑印
博士,工程师,山东济南人,长期从事矿山安全绿色开采理论与实践研究,共发表学术论文16篇,申请专利15项,主持或参与省、市级重点研发计划项目4项,荣获中国煤炭工业科学技术奖二等奖1项、三等奖1项,荣获“振兴杯”全国青年职业技能大赛创新创效赛优胜奖,荣获中煤集团青年科技奖
《金属矿山》简介
《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办,主编为中国工程院王运敏院士,现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)、中国精品科技期刊(F5000顶尖学术论文来源期刊)、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊(A)、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊,被美国化学文摘(CA)、美国剑桥科学文摘(CSA)、波兰哥白尼索引(IC)、日本科学技术振兴机构数据库(JST)等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果,优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告(核心版)》,《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位;根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》(2024版),《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。
供稿:曾文旭
编排:余思晨
审核:王小兵
利用提供参考依据。
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