江苏省普通高校研究生科研创新计划项目结题报告书(一式两份)

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目结题报告书项目批准编号：CXLX12_0963项目名称：胶结孔隙介质重复化学注浆浆液扩散及充填规律模型试验项目负责人：钱自卫学校名称：中国矿业大学填报日期：2014年05月04日江苏省学位委员会制表江苏省教育厅1项目名称胶结孔隙介质重复化学注浆浆液扩散及充填规律模型试验项目类别A.人文社科项目□B.自然科学项目√项目负责人钱自卫学科专业名称地质资源与地质工程联系电话[e-mail]博/硕士博士出生年月1986.09计划完成时间2013年11月实际完成时间2013年11月结题种类√1.正常2.提前3.延期4.申请撤销或中止导师姓名姜振泉联系电话[phone]一、项目计划实施工作报告在进行班项目申请时，主要考虑做重复化学注浆方面的研究，随着研究的进行，发现相对简单的单次注浆方面也存在诸多问题，随机法研究的重点转移到单次化学注浆的研究上。1.1实际的研究内容本研究针对鄂尔多斯盆地新井建设中的孔隙性砂岩的水害问题，按先后次序依次开展了如下四个方面研究：（1）鄂尔多斯盆地煤矿井筒建设中的水害特点。收集鄂尔多斯盆地部分矿区新井建设过程中实际水害情况的文件资料，总结甄选出发生水害的几个主要地层，分析地层的分布特征、沉积成因、井筒在该类地层建设中的工程问题及原因。（2）孔隙砂岩的性质特征。针对甄选出的几个主要水害严重的地层采集岩石试样，进行基本性质特征的测试研究，主要包括砂岩颗粒组成、颗粒形态、孔隙率、微观结构、强度、渗透性等。（3）孔隙砂岩可注性机理。可注性体现在岩层可注及浆液可注两个方面，为此孔隙砂岩可注性机理研究将进行岩层孔隙结构特征、浆液的微观特征研究及可注性模型实验研究，以此为基础探讨孔隙砂岩可注性机理及影响因素。（4）化学注浆在砂岩孔隙中扩散机理及理论模型，设计注浆实验系统，开展孔隙砂岩模型材料的化学注浆实验，监测、计算注浆过程压力、注浆减渗率、孔隙充填率、充填规律等。以砂岩孔隙结构特征研究成果，构建孔隙砂岩渗透模型，以此模型为基础并结合注浆模型实验开展混相及非混性两种类型浆液扩散模式的理论分析，构建两种类型浆液扩散模式的理论模型，并与模型实验数据对比。以其研究成果构建可应用于现场的注浆设计理论公式，并进行现场应用检验。1.2主要采用的研究方法及技术路线以鄂尔多斯盆地井筒建设中实际的水害问题为切入点，研究了造成水害的主要含水岩层，提炼出研究对象—孔隙砂岩含水岩层；在明确研究对象的前提下，结合实际工程问题，制定关键性的研究内容，针对具体研究内容进行专门性研究，再经过综合研究最终获得研究成果。本研究总体采用理论与实验相结合的方法进行研究，坚持理论分析实验验证及实验先行理论跟进两种结合方式。研究拟定的技术路线如图1-9所示。2井筒穿越孔隙砂岩含水层时水害问题严重工程问题研究对象孔隙砂岩含水岩层研究内容鄂尔多斯盆地煤矿井筒建设中的水害特点孔隙砂岩的基本性质特征孔隙砂岩可注性机理化学注浆在砂岩孔隙中扩散机理及理论模型研究方法地质分析理论分析物理实验数值分析孔隙砂岩化学注浆浆液渗透扩散机理研究目标技术路线图1.3具体试验开展情况（1）采用水泥胶结河砂的方法来模拟孔隙砂岩，从颗粒组成、孔隙率、渗透系数等方面进行模型材料制备的参数控制，做到了模型材料与原砂岩的级配一致、孔隙率一致、渗透系数可控、孔隙结构相似；（2）自主设计模型注浆实验系统，主要包括注浆动力系统、数据监测系统、岩样安装装置三部分，通过装置内壁车丝及灌浆的方法实现对模型材料安装后边界现象的控制实验系统可进行注浆前后模型整体及各分段的渗透系数测试、注浆过程压力及排液流量的连续监测；（3）共进行了3组孔隙砂岩模型材料化学注浆模型实验，设计了三种不同的注浆过程，分别为饱和模型材料注化学浆液（模型1）、孔隙不含水状态模型材料注化学浆液（模型2）及饱和模型材料注油性材料（模型3）；12456910387710注浆实验系统1—压力表；2—阀门；3—岩样安装装置；4—支撑平台；5—容器；6—电子称；7—输浆管路；8—手动试压泵；9—储浆捅（浆液）；10—摄像机3二、成果综述2.1研究的目的意义目前在注浆设计上比较常用的依然是经典的马格球形扩散理论、柱形扩散理论及袖阀管理论等。而根据现场实践发现其理论大多不适用孔隙砂岩地层，主要是原因在进行理论推导时的基本假设跟实际差距较大。通过此研究力求推导出新的适用于此类地层的化学注浆设计理论公式。另外目前常用的化学浆液一般具有水溶性，化学注浆过程为浆液驱替水又溶于水的过程，其理论问题是混相流动问题。以前在注浆机理的研究方面，混相流动问题涉及的较少，开展注浆过程中混相流动问题的研究，可促进注浆基础理论的发展。本研究所涉及的问题来源于工程实践。通过对孔隙砂岩地层注浆治理相关问题进行试验及理论研究，力求探索出合适的注浆设计理论、注浆材料、注浆设计参数、注浆工艺，以提高注浆的减渗效果，并把研究成果应用于工程实践，解决或改善实际工程中的难题。2.2主要研究成果(1)砂岩结构性状洛河组、直罗组下段、下石盒子组砂岩颗粒成分、孔隙形态、结构性状具有相近性。其共性特征表现在以下几方面：①颗粒级配不良，其中洛河组岩样级配最差，总体上颗粒粒径均相对单一：粒径1.0mm粒组和5-2mm粒组的圆形度相对偏大，与正四边形的圆形度0.785较为接近；粒径2-1mm粒组的圆形度偏小，与正三角形圆形度0.604较为接近；②实测孔隙率普遍较大，平均孔隙率均在20%以上，说明孔隙砂岩具有良好的容水结构条件；镜下空隙结构明显、粒间充填物少，均显现颗粒接触型骨架结构，洛河组砂岩呈现颗粒磨圆度高，与其相比，下石盒子组砂岩及直罗组砂岩的颗粒磨圆度属中等；③试验测试结果反映出孔隙的连通性较好，对应于自然吸水和煮沸法测得砂岩孔隙率比较接近，二者均值相差不足20%，表明砂岩空隙以连通程度较好的大开口孔隙为主；低水力梯度下显现良好的渗透性，且随压力水头提高而增大。根据渗透性测试情况，三组岩石的渗透系数均在5×10-5cm/s以上，其中，石盒子组砂岩样渗透系数均值达为3×10-4cm/s。(2)砂岩孔道的微观渗流特征及渗流模型根据扫描电镜、物性指标测试结果，孔隙砂岩的空隙网络主要为粒间孔隙构成，呈非常复杂的结构形态，导致液体在其间的微观渗流特征也非常复杂。①从砂岩空隙网络的连通形态角度，孔隙砂岩的渗流孔道可分为孤岛型、串通型及半岛型三种类型，依据孔隙、吼道结构特点可将渗流孔道概化为“V”形（缩径）及“L”（拐折变向）形两种形态；②空隙网络的渗流孔道具有较好的连通性，但孔道中流体质点的运动路径呈不规则曲线状，孔道之间汇流及分流现象交替发生；相对活跃的孔道中流体运动方向及通道尺度处于动态变化，渗流阻力增加。③依据孔道渗流特征建立二维渗透模型，模型分为固相及孔道两部分，孔道简化为分布均匀、宽度一致且垂直相交的狭缝；依据孔隙砂岩微观渗流的二维模型，采用层流均匀流理论构建砂岩微观渗流模型单元，在确定砂岩孔隙率及渗透性的条件下可采用公式：396/()bk计算模型单元的宽度。(3)砂岩的可注性通过水泥浆与化学浆在孔隙性渗流孔道的渗透扩散性对比试验，探究了不同类型浆液对于孔隙砂岩的可注性差异，揭示了主要制约因素及其内在机理。①水泥类颗粒悬浮型浆液本质上为水与颗粒物质混合形成的固液两相混合物，对孔隙砂岩可注性极差，其主要原因是浆液在渗流孔道的变径、变向处渗透扩散时的渗透阻力过大，浆液在孔道中受阻的机理为“相对减速集聚”，即水溶解运输的颗粒物质的运动速度相对于水的运动速度发生减速而聚集；②作为一种高度分散的多相体系，溶液型化学浆液可视为均一的、流变性能稳定的溶液型流体，对于孔隙砂岩具有可注性。溶液型化学浆液在孔隙砂岩中的可注性主要受制于渗流通道的结构形态和浆液性能两方面，由于化学浆液粘度大，孔隙砂岩渗流通道微细，化学浆液在孔隙砂岩中虽具有可注性，但可注性一般。③可注性的影响因素主要是渗流网路形态、孔道直径与浆液物性，孔道直径与浆液颗粒粒径的差异越大、浆液的动力粘度越低则可注性4越好。(4)化学浆液的扩散规律、减渗机理及影响因素采用不同性状的化学浆液，进行孔隙砂岩化学注浆模型实验，利用砂岩孔隙渗透模型，结合层流均匀流理论及两相流理论，进行不同类型浆液的扩散及减渗机理研究，合理解释了化学浆液减渗效果较差的原因及主要影响因素。①非混相注浆，浆液在孔道中呈类活塞式驱替流动，浆液及孔道中的流体各自保持着自己的性质，采用层流均匀流理论及两相流理论可计算非混相注浆过程的压力响应；浆液对孔隙空间的充填效果与注浆压力、注浆速度等因素关系甚微；注浆后减渗率偏低的主要原因是已注入主渗孔道中浆液发生位置移动及浆液的结石收缩引起；可通过开发容重与水类似及结石收缩性低的浆液，来改善减渗率偏低的问题；②混相注浆，浆液在孔道中流动的过程本质上为水携带颗粒在孔道中混合运动，采用层流均匀流理论可计算注浆过程压力响应、浆液在孔道延伸方向上的体积含量分布及注浆后的减渗率；浆液对孔隙空间的充填效果与注浆压力、注浆速度等因素关系甚微；随着扩散距离的增大，浆液在孔道延伸方向上的体积含量逐渐减小，注浆后已注入主渗孔道中浆液发生位置移动及浆液的结石收缩是造成减渗率偏低的主要原因。可通过开发容重与水类似及提高浆液的结石率，来提高注浆的减渗率；(5)浆液扩散理论模型基于浆液扩散机理的研究成果，推导出浆液柱形扩散理论模型，可实现注浆扩散半径，注浆压力、注浆泵量、注浆持续时间等多因素计算分析，研究成果应用到梅花井煤矿副立井过直罗组下段含水层化学注浆的治理中，通过实际工程检验，说明浆液扩散理论模型具有应用价值。2.3创新点（1）自主开发了岩心渗透率测试及化学注浆实验装置，装置成功实现对边界现象的控制，可同时进行岩心渗透系数测试及孔隙介质化学注浆实验工作；（2）基于砂岩孔道特征的分析，把渗流孔道抽象为“V”形及“L”形两种形态，采用毛细点样管进行微细单孔道注浆模型实验，提出了颗粒悬浮型注浆材料在孔道中受阻的“相对减速聚集”的机理；（3）基于孔隙砂岩微观渗流通道的研究，建立了孔隙砂岩二维渗透模型单元，并给出了模型单元宽度的计算方法；利用二维渗透模型单元，结合层流均匀流理论，进行混相、非混相注浆浆液扩散及减渗机理的研究，提出了浆液性能的改进方向；（4）基于浆液扩散机理的研究成果，推导出可现场应用的浆液柱形扩散理论模型，模型可实现注浆扩散半径，注浆压力、注浆泵量、注浆持续时间等多因素计算分析。课题承担人签名：年月日相关成果列表序号成果形式成果名称发表或应用单位及时间1论文基于围岩松动圈理论的井筒壁后防渗注浆技术研究煤炭学报2013,38(2):198-193.(EI)2论文煤矸石侧限加载-浸水-卸载试验研究采矿与安全工程学报2013.30(4):578-582.(EI)3论文孔隙砂岩多次化学渗透注浆试验研究岩土力学（预计2014.08，EI）4实用新型专利岩芯渗透率测试及化学注浆实验装置ZL201320368539.32014-04-09注：请附相关成果的复印件。5三、经费使用情况：审核人签字：年月日省资助经费0万元单位配套经费0万元自筹经费1万元合计使用经费1万元四、研究生指导教师意见（包括课题的意义、已取得成果的鉴定、创新能力评价、经费使用情况及对项目结题的意见）：自立项以来，项目负责人积极进行项目相关问题的研究工作，研究过程中项目组负责人得到了很好的锻炼，增加了动手能力和科研素质，同时本项目也取得了可喜的成果，同意进行结题验收。指导教师签名：年月日五、所在学位授权点意见学位授权点负责人签名：年月日6六、专家结题意见书（1）姓名所在单位职务职称备注①研究方向专家签字：年月日专家结题意见书（2）姓名所在单位职务职称备注①研究方向专家签字：年月日7七、研究生管理部门审查意见：负责人签字：年月日八、省学位委员会审核意见：（公章）年月日①备注一栏如是院士填写A，长江学者奖励计划特聘教授填B，国家杰出青年基金获得者填C，国家突出贡献中青年专家填D，国务院学科评议组成员填E。