基于并行电法的水泥浆液扩散动态识别与固结效果评价研究

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基于我国能源禀赋特点和当前复杂的国际能源局势,煤炭在我国社会经济发展中承担着能源兜底的基础性保障作用,煤炭采深不断加大、矿井水患加剧的背景下水泥注浆在水害防治等方面起着重要作用。目前对于矿井水害监测预警的研究较多而对于基于电法的水泥注浆监测与评价的研究较少。为此,本工程硕士专业学位论文依托河南鹤壁矿区九矿3103工作面底板水泥注浆改造项目,利用并行电法监测技术,以室内多维物理模拟试验为主体,以矿井长期现场测试为实证,对水泥浆液扩散渗流-固结全生命周期的电性响应特征及机理进行了探析,主要结论如下:(1)激励电流作为人工激励的一次电场参数在水泥浆液渗流路径指示及固结效果评判上均可发挥较好的作用且其对应于不同介质环境表现的响应特征存在差异。介质孔隙率或整体含水率的增加会增强激励电流对浆液渗流的敏感度并提高相同供电参数下的激励电流值水平(注浆饱和时激励电流均值石子比砂高约25%,石子含水比不含水高约57.6%);激励电流在含浆介质固结过程中呈现为稳定下降趋势但在固结早期存在短暂的畸变期,原始孔隙水的存在可以消除畸变期同时减缓含浆介质激励电流的下降速率;水泥浆液间隔时间内在同一区域的扩散行为在激励电流曲线上表现为多个突变跃迁点。因此可以根据激励电流曲线上升突变特征来对水泥浆液扩散进行识别,根据激励电流曲线下降特征对含浆介质固结状态进行评价,同时可以利用激励电流对于不同属性介质及其所处环境响应的差异性来适应不同工况及地质条件下的判别。(2)一次场电位与自然电位同属于电位参数因此存在响应规律上的相似性,且两者相比于激励电流而言在对注浆渗流的动态表征及超前感应方面更具优势但无法对含浆介质的固结演化过程产生响应。试验条件下电位受参比电极周围环境状态及距离参比电极远近的影响较大,电位曲线总体复杂度比激励电流曲线高且规律性受介质原始赋存状态及浆液的影响较大;介质初始含水可以增加其联通性,从而削弱参比电极对电位的突变性影响同时增强电位曲线的平滑度和规律性。(3)(视)电阻率图像相比于一次场、自然场参数分析具有更强的直观性和更大的表征范围,利用一次场、自然场参数可以对测线周围有限范围内水泥浆液的渗流场进行精细分析,利用(视)电阻率图像可以对联合测线之间广泛区域内的水泥浆液渗流-固结演化状态进行宏观把握。试验条件下介质破碎程度及初始含水率差异会导致模型初始及固结过程中整体电阻率的差别但对注浆饱和时的整体电阻率水平没有影响;破碎程度的增加在提高介质模型初始电阻率水平(砂比石子高约24%)的同时也加速了固结过程中含浆体电阻率的提升速率,初始含水率的增加在降低介质模型初始电阻率水平(石子含水比不含水低约41.7%)的同时也减缓了固结过程中电阻率的提升速率。(4)物理试验规律对实际水泥注浆改造工程全生命周期监测与评价具有一定指导作用,但工程实际复杂度会导致其与室内试验之间存在差异性特征。在单个注浆事件过程中,电流历时曲线波动规律与试验一致性较好,电位历时曲线则存在一定的差异;激励电流倾向于反映场内介质整体导电性的变化,与电阻率一同可以作为评价整体注浆固结效果的优势参数;在整个注浆全生命周期中激励电流基值的缓慢下行趋势即表明整个测试区域内介质体导电性的不断减弱,这在电阻率上则表现为相对于注浆时电阻率的显著回升;固结完成后的电阻率终值则受到介质属性与赋存环境等多重因素的影响。实际检查孔及原位阻渗试验结果表明,并行电法多参数监测有效评价了注浆改造工程的水泥浆液扩散及固结效果,保障了工作面防治水安全。论文共有图片71幅,表5个,参考文献115篇。
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