過水巷道動水快速截流大型模擬實驗系統(tǒng)研制

董書寧,楊志斌,朱明誠,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)實驗室，陜西 西安 710077)

礦井水害是煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中的五大災(zāi)害之一，由于我國復(fù)雜的煤田地質(zhì)構(gòu)造賦存條件，我國礦井水害事故一直是世界上最為嚴(yán)重的國家之一，尤其是突水災(zāi)害給我國煤礦造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了控制我國煤礦水害事故發(fā)展態(tài)勢和保持現(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項水害綜合治理措施，其中注漿堵水技術(shù)不僅可對水災(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，常需同時實施礦井排水和注漿堵水兩項水災(zāi)綜合治理措施，因此搶險救援期間的過水巷道截流常需在動水條件下進(jìn)行。目前過水巷道動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效堆積和擴(kuò)散，造成搶險救援工程量大且工期長，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，對注漿技術(shù)、注漿材料、注漿理論、注漿實驗等方面開展了大量的研究工作[5-15]，但是關(guān)于過水巷道動水截流的注漿堵水研究成果卻較少。國外鮮有關(guān)于過水巷道動水截流的研究報道。過水巷道動水截流自1984年在開灤范各莊煤礦成功實施以來，先后在國內(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、工序為一體的過水巷道動水截流技術(shù)體系[4,16-22]。但是，關(guān)于過水巷道動水截流機(jī)理的研究卻少有涉及。文獻(xiàn)[23]利用Matlab對過水巷道動水截流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在給定的過水巷道動水截流條件下，骨料堆積體在巷道中接頂?shù)淖钚×?，注漿過程中滲流速度最大出現(xiàn)在封堵區(qū)域的頂部，隨著過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，對影響過水巷道動水截流過程中骨料堆積接頂?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)地對過水巷道動水截流過程中，骨料運(yùn)移堆積規(guī)律、漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律和有效阻水段長進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合實際堵水工程進(jìn)行了反演驗算。文獻(xiàn)[16]提出在過水巷道中通過鉆孔定點(diǎn)投放大體積速凝早強(qiáng)水泥包的技術(shù)方法和專用設(shè)備進(jìn)行動水截流，并在實際堵水工程中試驗成功。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，在實際堵水工程中，通過定點(diǎn)投放保漿袋囊和補(bǔ)充注漿的方法，成功實現(xiàn)過水巷道動水截流，創(chuàng)造了國內(nèi)過水巷道動水截流用時最短記錄。

以上研究表明，目前過水巷道動水截流研究成果主要集中在技術(shù)工藝層面，少有的涉及動水截流機(jī)理研究也僅涉及常規(guī)動水截流方法，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，而鉆孔控制注漿動水快速截流機(jī)理研究卻鮮有報道。由于過水巷道動水截流隱蔽性極強(qiáng)，無法通過現(xiàn)場注漿堵水工程再現(xiàn)動水截流過程，后期更無法對注漿封堵體進(jìn)行解剖驗證。因此，為了研究過水巷道動水快速截流機(jī)理，研制大型模擬實驗系統(tǒng)平臺具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 巷道動水截流水力學(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))，巷道截流期間動水流量受突水區(qū)的突水水量、阻水區(qū)的過水?dāng)嗝婧团潘畢^(qū)的淹沒水位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)的過水?dāng)嗝婧团潘畢^(qū)的淹沒水位反映過水巷道的阻水能力。

圖1 巷道動水截流水力學(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，計算得到突水水量為

(3)

式中，Z為突水點(diǎn)標(biāo)高;P為動水壓強(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)，突水水流壓力勢能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽琍相對為0，突水流速最快，突水水量最大。隨著突水水源靜儲量的不斷消耗和礦井淹沒水位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，其動態(tài)補(bǔ)給量逐漸增加，同時為了降低經(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，雖然初期突水量較大，但搶險救援過水巷道動水截流注漿治理時，通常都在突水災(zāi)害發(fā)生一段時間之后，其一是因為搶險救援設(shè)備裝運(yùn)需要時間，其二是因為透巷鉆孔施工需要時間。因此，根據(jù)巷道動水截流水力學(xué)模型可知，開始實施注漿治理時，一般都在井筒淹沒水位被控制在某一水平且突水水量基本穩(wěn)定的條件下，實驗?zāi)Ｐ脱兄茣r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，阻水段的過水?dāng)嗝嬷饾u縮小，阻水區(qū)的過水能力逐漸減小。當(dāng)阻水區(qū)過水能力小于突水水量時，巷道中動水流量開始減小，H開始增大。當(dāng)巷道截流成功后，巷道中動水流量為0，H可恢復(fù)到突水前的靜止水位，實驗?zāi)Ｐ脱兄茣r還需滿足這一邊界條件要求。

2 巷道動水快速截流工程原型

2011-12-13，榆林市榆陽區(qū)農(nóng)墾榆卜界煤礦1121工作面開切眼4巷掘進(jìn)過程中發(fā)生突水，突水水源為燒變巖水，火燒區(qū)監(jiān)測井靜止水位+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)排水將井筒淹沒水位控制在+1 090 m，巷道動水截流工況如圖2所示。

圖2 巷道動水截流工況

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個控制注漿鉆孔中先后投放3個大、小保漿袋囊，其次再在靠近突水點(diǎn)的后排3個控制注漿鉆孔中投放3個小保漿袋囊，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。注漿治理過程中的水位流量變化曲線如圖5所示。

圖3 巷道動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，巷道動水流量和淹沒水位基本不變，分析原因為巷道中投放保漿袋囊數(shù)量少，保漿袋囊雖然縮小了巷道過水?dāng)嗝?，但巷道過水能力仍大于動水流量。2012-04-05隨著第3個大保漿袋囊的投放，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，分析原因為巷道中保漿袋囊縮小的過水?dāng)嗝娣纫咽蛊溥^水能力小于先前動水流量，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，而且火燒區(qū)監(jiān)測井水位呈現(xiàn)上升態(tài)勢，說明巷道過水?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隨著試排水試驗的啟動，榆卜界煤礦副井水位仍然呈現(xiàn)下降態(tài)勢，而且下降幅度變大，同時火燒區(qū)監(jiān)測井水位繼續(xù)上升，說明榆卜界煤礦突水災(zāi)害搶險救援成功。后期巷道清淤發(fā)現(xiàn)井下阻水段長僅28 m，殘余涌水量為0，堵水率100%，歷時僅18 d，創(chuàng)造了過水巷道動水截流用時最短的世界紀(jì)錄。

3 大型模擬實驗系統(tǒng)研制

3.1 概念設(shè)計

根據(jù)巷道動水截流水力學(xué)模型和工程原型，大型模擬實驗系統(tǒng)首先應(yīng)該滿足巷道動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)動水快速截流過程，便于觀測保漿袋囊移動規(guī)律和漿液擴(kuò)散凝結(jié)規(guī)律，可以測試封堵體穩(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)、動力供水供漿系統(tǒng)、初始條件和邊界條件系統(tǒng)、監(jiān)測系統(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水巷道組成，過水巷道的設(shè)計反映了實驗人員結(jié)合要研究的內(nèi)容對堵水工程原型特征的認(rèn)識和概化，這是動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)，也是動水截流機(jī)理研究和數(shù)值模擬實驗依托的對象。

(2)動力供水供漿系統(tǒng)。主要為動水和灌漿創(chuàng)造一定的動力條件，使動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，在實驗初期形成恒定的動水壓力和動水流量初始條件，在實驗后期形成動態(tài)變化的動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)測系統(tǒng)。主要對實驗前后影響保漿袋囊移動規(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-水流動狀態(tài)、動水壓力、動水流量、動水流速、注漿壓力、應(yīng)力應(yīng)變等所關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試采集，也包括實驗結(jié)束后對現(xiàn)場解剖封堵體數(shù)據(jù)的監(jiān)控測試。

3.2 設(shè)備組成

設(shè)備組成研制是概念設(shè)計的具體化和可操作化，某一個設(shè)計功能系統(tǒng)可能需要在多個設(shè)備系統(tǒng)中實現(xiàn)，某一個設(shè)備研制在考慮其主要功能外，還要考慮兼?zhèn)淦渌O(shè)計功能的實現(xiàn)。大型模擬實驗系統(tǒng)主要由如下6方面設(shè)備組成:大型巷道模擬實驗艙、動水模擬系統(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 大型模擬實驗系統(tǒng)設(shè)備組成概要

3.2.1大型巷道模擬實驗艙

該裝置是大型模擬實驗系統(tǒng)的核心設(shè)備，需綜合考慮對過水巷道、耐壓環(huán)境、抗變形能力及物理邊界的模擬，同時要滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測的要求。

(1)實驗艙結(jié)構(gòu)。實驗艙裝置包括不透明實驗艙和透明實驗艙兩種(圖7，8)，其中不透明實驗艙主要用于模擬高壓條件下控制注漿保漿袋囊移動規(guī)律和測試封堵體穩(wěn)定性能;透明實驗艙主要用于再現(xiàn)動水快速截流過程，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。兩種實驗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。國內(nèi)目前過水巷道動水截流條件一般為突水點(diǎn)靜止水壓5 MPa，動水流量2 000 m3/h，因此設(shè)計不透明實驗艙承受最大水壓為5 MPa;透明實驗艙主要用于再現(xiàn)動水快速截流過程，設(shè)計其承受的最大水壓為0.3 MPa;2種實驗艙的動水流量都按流速相等原理設(shè)計為20 m3/h。

圖7 不透明實驗艙裝置剖面結(jié)構(gòu)示意

不透明實驗艙材質(zhì)為1020無縫鋼材，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)長度2 m，總長6 m。每節(jié)鋼筒上方預(yù)留2個鉆孔，共6個鉆孔。實驗艙內(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)測封堵體建成后的穩(wěn)定性能。實驗艙兩端均采用密封封頭。動水從實驗艙左側(cè)密封封頭流入，右側(cè)密封封頭流出，投袋和注漿從實驗艙頂部預(yù)留的鉆孔進(jìn)行。實驗艙兩側(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，通過調(diào)節(jié)控制回流閥，可以形成不同動水壓力、動水流量條件下的注漿建造環(huán)境。

透明實驗艙材質(zhì)包括1020無縫鋼材和鋼化玻璃，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)長度3 m，總長9 m，每節(jié)實驗艙的左側(cè)、右側(cè)和頂部都預(yù)留7個孔眼，其中用作透視作用的孔眼采用鋼化玻璃通過法蘭盤與實驗艙面板對接。實驗艙底部澆筑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。實驗艙兩端也均采用密封封頭。透明實驗艙的動水截流工藝條件控制環(huán)節(jié)與不透明實驗艙相同，兩者差異主要為耐壓能力和是否具備透視功能。

(2)實驗艙耐壓及抗變形能力檢測。不透明實驗艙由于實驗后期要承受5 MPa的靜水壓力，為了確保實驗安全進(jìn)行，對設(shè)計的實驗艙體進(jìn)行了強(qiáng)度驗算，采用有限元計算方法，在密閉實驗艙內(nèi)壁施加5 MPa的壁面壓力，得到實驗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驗算結(jié)果表明，5 MPa的靜水壓力在實驗艙鋼筒上可產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力不足300 MPa，在實驗艙封頭上可產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力約為320 MPa，但是實驗艙材質(zhì)1020鋼材的屈服應(yīng)力約為620 MPa，可以看出不透明實驗艙的耐壓及抗變形能力滿足實驗?zāi)M強(qiáng)度要求。

圖9 實驗艙1020鋼筒靜應(yīng)力分析(放大304倍)

圖10 實驗艙1020封頭靜應(yīng)力分析(放大104倍)

3.2.2動水模擬系統(tǒng)

包括水倉、過濾器、沉定池等動水循環(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、閘閥等動水注入設(shè)備，是動水截流工藝動水控制環(huán)節(jié)的模擬，可實現(xiàn)最大390 L/min的動水循環(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，是動水截流工藝注漿控制環(huán)節(jié)的模擬，可實現(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，落入巷道后可實現(xiàn)對過水巷道的快速截流。

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，是動水截流工藝突水環(huán)境控制環(huán)節(jié)的模擬，實現(xiàn)實驗初期在實驗艙中形成恒定的動水壓力和動水流量初始條件，結(jié)合安全分流系統(tǒng)，同時用于實驗后期在實驗艙中形成動態(tài)變化的動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)，實現(xiàn)實驗后期在實驗艙中形成動態(tài)變化的動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驗艙、動水模擬系統(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)計模型和設(shè)備系統(tǒng)組成，完成的大型模擬實驗系統(tǒng)如圖12所示。

4 模擬系統(tǒng)實驗流程和功能驗證

4.1 功能介紹

根據(jù)大型模擬實驗系統(tǒng)的功能系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備系統(tǒng)組成，其可用于模擬不同礦井淹沒水位、不同突水水源水位條件下的寬5 m、高4 m、動水流量2 000 m3/h的過水巷道快速截流封堵體形成機(jī)制研究，其中不透明實驗艙模擬系統(tǒng)主要用于5 MPa突水水源水位和任意礦井淹沒水位壓力條件下的控制注漿保漿袋囊移動規(guī)律和封堵體穩(wěn)定性能研究，透明實驗艙模擬系統(tǒng)主要用于0.3 MPa動水壓力條件下，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 實驗流程

基于大型模擬實驗系統(tǒng)的功能系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)的組成及設(shè)計原理，采用計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)采集和電控閥門邏輯控制，實驗流程為:① 實驗開始前，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和礦井淹沒水位控制壓力P2及動水流量Q。② 根據(jù)設(shè)置動水流量Q進(jìn)行供水泵檔位選擇并啟動供水泵。③ 調(diào)節(jié)控制回流閥至回流壓力傳感器壓力滿足實驗壓力P2，系統(tǒng)發(fā)出第1次聲光信號。④ 系統(tǒng)按設(shè)置實驗壓力P2自動開啟蓄能器組進(jìn)水通道穩(wěn)壓(按設(shè)置動水流量Q選擇開啟蓄能器組數(shù)量)，待回流壓力傳感器壓力回升至實驗壓力P2，系統(tǒng)發(fā)出第2次聲光信號，提示可以進(jìn)行動水截流模擬實驗。⑤ 隨著保漿袋囊投放和漿液灌注，實驗艙中阻水段過水?dāng)嗝娌粩鄿p小，供水壓力傳感器壓力將會升高，回流壓力傳感器壓力將會降低或保持不變，同時動水流量將會減小，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置實驗壓力P1,P2壓差，自動按其三等分壓力遞增順序開啟分流系統(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，系統(tǒng)分別發(fā)出一次聲光信號，提示分流系統(tǒng)分流成功。在此過程中，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，蓄能器組可對動水流量減少量進(jìn)行分流，從而實現(xiàn)封堵體建造過程中動態(tài)變化的動水壓差和流量衰減條件。⑥ 當(dāng)系統(tǒng)最后一次發(fā)出聲光信號時，提示動水截流模擬實驗完成，關(guān)閉供水泵，打開供水管路放水閥，卸樣觀測并采取圖像，結(jié)合實驗過程中的全程數(shù)據(jù)監(jiān)測，對樣品、圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理。

4.3 功能驗證

根據(jù)研制的大型模擬實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了一組穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)監(jiān)測實驗和一組拋袋實驗，監(jiān)測實驗P1,P2分別設(shè)置為5,2 MPa，拋袋實驗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0.6 m的圓柱形(V=0.058 m3)單保漿袋囊，其中監(jiān)測實驗主要用于模擬動水高壓條件下，模擬系統(tǒng)是否具備穩(wěn)壓穩(wěn)流功能，實驗結(jié)果如圖14所示;拋袋實驗主要用于模擬動水高壓條件下，保漿袋囊控制注漿效果和移動規(guī)律，實驗結(jié)果如圖15，16所示。

圖14 監(jiān)測實驗水壓流量變化曲線

圖15 拋袋實驗水壓流量變化曲線

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，P1和Q都能夠穩(wěn)定，實現(xiàn)了實驗初期形成恒定的動水壓力和動水流量初始條件。隨著P1的逐漸增大，P2和Q都逐漸減小，實現(xiàn)了實驗后期形成動態(tài)變化的動水壓差和流量衰減邊界條件。另外，P1,P2,Q在整個實驗過程中都較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動，實現(xiàn)了模擬系統(tǒng)在動水高壓條件下的穩(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，P1和Q分別穩(wěn)定在1.51 MPa和200 L/min。實驗后期至拋袋實驗結(jié)束，P1,P2,Q都保持穩(wěn)定，其中P1,P2的動水壓差始終保持在1～2 m的水頭差，另外控制注漿過程中的注漿壓力和應(yīng)變片監(jiān)測到的應(yīng)變量也都保持不變，說明保漿袋囊控制注漿未能減小動水流量，必須通過后期袋外補(bǔ)充注漿進(jìn)一步減小過水?dāng)嗝?，才能實現(xiàn)動水快速截流成功。

由圖16可以看出，保漿袋囊雖然大幅減小了過水?dāng)嗝?，但在保漿袋囊兩側(cè)仍明顯存在殘余過水?dāng)嗝?。實驗結(jié)束后對實驗艙拆卸后的封堵體進(jìn)行測量，保漿袋囊位于其投放鉆孔的正下方，未發(fā)生移動，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，其減小的巷道過水?dāng)嗝娣e僅為70%，此時殘余過水?dāng)嗝孢^水能力仍大于突水水量200 L/min，進(jìn)一步說明必須通過后期補(bǔ)充注漿方能實現(xiàn)動水快速截流成功。

監(jiān)測實驗和拋袋實驗結(jié)果表明，模擬系統(tǒng)在實驗壓力、穩(wěn)壓功能、分流功能、投袋注漿、數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面都可達(dá)到設(shè)計要求，表明研制的過水巷道動水快速截流大型模擬實驗系統(tǒng)是合理可行的。

5 結(jié) 論

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

(2)根據(jù)過水巷道動水快速截流大型模擬實驗系統(tǒng)概念設(shè)計，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驗艙、動水模擬系統(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)基于過水巷道動水快速截流大型模擬實驗研究需要，研制了不透明和透明兩種大型巷道模擬實驗艙，并對具有耐壓和抗變形能力要求的不透明實驗艙進(jìn)行了強(qiáng)度驗算，結(jié)果表明不透明實驗艙可以滿足大型模擬實驗條件要求。

(4)基于過水巷道動水快速截流大型模擬實驗系統(tǒng)的功能系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)的組成及設(shè)計原理，給出了模擬實驗操作流程，進(jìn)行了一組穩(wěn)壓穩(wěn)流系統(tǒng)監(jiān)測實驗和一組拋袋實驗，其中監(jiān)測實驗結(jié)果表明模擬系統(tǒng)可以滿足動水快速截流堵水環(huán)境的初始條件和邊界條件要求;拋袋實驗結(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，單個保漿袋囊雖然未發(fā)生移動且能大幅減小巷道過水?dāng)嗝婷娣e，但難以減小巷道突水水量，必須通過后期袋外補(bǔ)充注漿進(jìn)一步封堵，才能實現(xiàn)動水快速截流成功，有待進(jìn)一步深入研究。