创新点
（1）以浆液颗粒沉积下的煤体裂隙演化为主线，通过分析注浆浆液在裂隙煤体内的扩散和颗粒沉积特征，推导并建立了裂隙煤体注浆变质量渗流模型。
（2）以微纳米焦点工业CT扫描为手段，通过CT扫描和Matlab软件对煤体裂隙细观结构进行可视化分析,得到了煤体注浆前后裂隙分布特征。
（3）借助多场耦合模拟软件，将CT扫描结果及理论模型数值化,对裂隙煤体注浆浆液扩散及变质量渗流规律开展研究,定量揭示了裂隙煤体注浆降渗机制。
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作 者
魏建平1,2,3,姚邦华1,2,3,刘勇1,2,3,王登科1,2,3,崔鹏飞1,2,姚帅1,2
作者单位
1. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地；2. 河南理工大学 安全科学与工程学院；3. 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心
1研究背景我国煤层瓦斯抽采过程中长期存在抽采率低下等问题,平均瓦斯抽采浓度仅为30%。因此,如何保障封孔质量、增强瓦斯抽采效果,是亟待解决的问题,也是矿井安全生产的重要保证。
目前,煤岩体注浆技术是瓦斯抽采钻孔常用封孔方法。其原理是通过把某些可凝浆液注入到煤岩体的裂隙或孔隙中,使煤岩体形成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体,从而改善煤岩体的物理力学性能,提高煤岩体稳定性。因此,深入研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及渗透率变化规律、揭示浆液封堵裂隙机理,对于指导强化抽采钻孔封孔效果、提高瓦斯抽采效率具有重要工程意义。目前,国内外有关学者围绕煤体注浆浆液流动扩散规律和封堵裂隙机制等科学问题开展了一系列的研究工作。例如,在浆液扩散理论模型和实验研究方面,主要考虑浆液的牛顿流体和非牛顿流体特性、浆液的时变特性等,对浆液在单一裂隙、裂隙网格中的扩散渗流规律进行研究;随着岩土工程计算技术的发展,越来越多的学者通过数值模拟手段开展相关研究,其基本思路主要是利用Monte-karlo法、概率统计法等数学方法模拟生成三维随机裂隙网络,在浆液流动理论模型的基础上,对不同影响因素下的注浆扩散与岩土性质变化规律开展了数值模拟研究。此外有的学者还从微观角度对浆液在裂隙岩体内的流动扩散以及注浆行为对煤体本身微观结构变化进行了模拟。但是,目前对于浆液扩散渗透率模型主要集中在浆液的扩散流动特性研究,较少考虑浆液颗粒沉积引起的煤岩裂隙和渗透性变化的物理本质,不能够可靠的对煤样体内部浆液扩散、封堵情况进行预测分析;此外,煤岩体内部裂隙对浆液扩散有直接影响,由于注浆属于隐蔽工程,在数值模拟过程中初始孔裂隙分布不确定性使得目前研究难以精确的描述浆液运动规律和扩散范围。因此现阶段注浆理论方面的研究相对滞后于实践,以致存在较大的盲目性。
因此,在现有研究的基础上,笔者通过对裂隙煤样内部质量变化进行分析,推导并构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型;利用工业CT对裂隙煤样扫描及像素值提取,对裂隙煤体孔裂隙微观结构分析,研究裂隙煤体初始裂隙分布;开展室内试验以及数值模拟实验,对注浆浆液扩散规律及其对裂隙煤体的堵漏降渗特性开展相关研究,从注浆浆液运移和颗粒沉积的角度揭示注浆浆液封堵煤体裂隙机制,为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供指导。2摘 要研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。
其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究。
结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。
3文中图片
裂隙煤体及特征微元示意
单裂隙模型示意
CT扫描实验系统
裂隙煤样CT重构
注浆浆液原材料
煤样注浆实验系统
煤样注浆后CT重构
模型几何及网格划分
模型初始渗透率分布
注浆压力随时间变化云图
渗透率随时间变化云图
煤样模型渗透率变化曲线
作者简介
魏建平，男，1971年5月生，河南省遂平县人，河南理工大学二级教授，博士生导师，河南省特聘教授。教育部创新团队负责人，入选国家百千万人才工程并授予“有突出贡献中青年专家”、国务院特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才、中原科技创新领军人才、河南省优秀专家等。发表论文160多篇，其中SCI、EI收录50多篇；授权发明专利40多项。获得国家进步二等奖、中国专利奖优秀奖及其他省部级科技奖励10多项。
研究方向
瓦斯灾害防治、矿井通风与安全、煤岩动力灾害防控等。
主要成果
长期开展煤岩瓦斯动力灾害防治及煤层瓦斯抽采研究，研究了高应力、高瓦斯条件下煤岩复合动力灾害机制，研发了水力压裂和水力冲孔等卸压增透技术工艺及装备；提出了以构造软煤发育程度、瓦斯含量为主的突出区域预测指标；建立了受载含瓦斯煤的本构模型和渗透率动态演化方程，深入揭示了受载含瓦斯煤变形破坏的物理响应和力学机制；提出新型瓦斯抽采钻孔封孔工艺及装备，获得中国专利优秀奖等。
来源：
魏建平,姚邦华,刘勇,等. 裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究[J]. 煤炭学报,,45(1):204-212.
WEI Jianping,YAO Banghua,LIU Yong,et al. Grouting fluid diffusion law and variable mass seepage model for fractured coal[J]. Journal of China Coal Society,,45(1):204-212.
责任编辑：陶赛 编辑整理：郭晓炜
审 核：常琛
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