姜淑印等：考慮析水效應(yīng)的PPGF漿液擴(kuò)散規(guī)律與抗分散特征

目前，防治底板突涌水主要采用注漿改造技術(shù)，然而高承壓含水層其水量大、水壓高、流速快，對(duì)注漿漿液產(chǎn)生較大的流動(dòng)阻力與侵蝕離散作用，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散距離短，成核速率慢，固結(jié)強(qiáng)度低，改造效果不理想。

在漿液擴(kuò)散規(guī)律方面，現(xiàn)有研究?jī)H考慮了水泥水化作用對(duì)漿液黏度的影響，未考慮析水作用對(duì)黏度的影響，難以應(yīng)用現(xiàn)有的黏度時(shí)變方程與流變方程指導(dǎo)研究漿液擴(kuò)散規(guī)律。山西亞美大寧能源有限公司姜淑印團(tuán)隊(duì)圍繞PPGF漿液擴(kuò)散規(guī)律與抗分散特征，通過(guò)開(kāi)展不同聚丙烯酰胺摻量的漿液抗分散性試驗(yàn)、析水性試驗(yàn)以及黏度時(shí)變性試驗(yàn)，探究漿液析水對(duì)黏度時(shí)變特性的影響機(jī)制，建立考慮析水效應(yīng)的PPGF漿液黏度時(shí)變方程與流變方程，揭示非靜態(tài)含水層注漿漿液運(yùn)動(dòng)與流失的時(shí)空演化規(guī)律

聚丙烯酰胺對(duì)漿液析水特性的影響

PPGF漿液是以石墨烯為調(diào)控核心，通過(guò)納米增強(qiáng)提升結(jié)石體力學(xué)性能與抗?jié)B性，依托抗分散設(shè)計(jì)優(yōu)化漿液擴(kuò)散路徑，最終實(shí)現(xiàn)含水層裂隙的致密封堵與巖體結(jié)構(gòu)加固。為準(zhǔn)確掌握漿液的擴(kuò)散規(guī)律與抗分散特征，研究首先對(duì)漿液的析水特性進(jìn)行測(cè)試分析。

圖1 漿液析水性試驗(yàn)

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PPGF漿液析水率在前30min快速增長(zhǎng)，隨后30min慢速增長(zhǎng)，最后逐步趨于穩(wěn)定，總析水時(shí)長(zhǎng)在70min左右。另外，PPGF漿液析水率隨聚丙烯酰胺摻量的增加而減小，并且當(dāng)摻量為3.0%與3.5%時(shí)，析水率降幅顯著增大

圖2 聚丙烯酰胺對(duì)析水率影響

聚丙烯酰胺對(duì)漿液抗分散性能的影響

經(jīng)測(cè)試表明，加入聚丙烯酰胺后，漿液的流失率顯著降低，說(shuō)明聚丙烯酰胺對(duì)漿液抗分散性能有明顯增強(qiáng)作用。而隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，漿液流失率呈現(xiàn)先減小再增大的變化規(guī)律。漿液流失率與流速也有關(guān)聯(lián)，隨著流速增加，漿液流失率呈非線性增大趨勢(shì)，即流速越大，流失率越高，對(duì)于不同聚丙烯酰胺摻量來(lái)說(shuō)，隨著聚丙烯酰胺的摻入以及摻入量的增大，流速的增大對(duì)于漿液流失率的影響逐漸減小，即聚丙烯酰胺可以降低流速提高帶來(lái)的漿液損失。

考慮析水效應(yīng)的漿液黏度演化規(guī)律

采用轉(zhuǎn)子固定式連續(xù)測(cè)量法對(duì)漿液黏度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試表明，同一材料在不考慮析水效應(yīng)與考慮析水效應(yīng)時(shí)，黏度與時(shí)間之間均呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系，但黏度時(shí)變系數(shù)不等。兩者黏度時(shí)變系數(shù)的比例與漿液析水率之間具有顯著相關(guān)性，即隨著漿液析水率的降低，黏度時(shí)變系數(shù)的比例逐漸減小。另外根據(jù)測(cè)試得到的流變方程可知，PPGF漿液在考慮析水效應(yīng)與不考慮析水效應(yīng)時(shí)均為假塑性流體，符合冪律型流體特征。

動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散規(guī)律與流失特征

采用COMSOL兩相達(dá)西流模塊建立二維單孔數(shù)值模型，針對(duì)不同聚丙烯酰胺摻量、不同初始注漿壓力作為分析要素，研究考慮漿液析水效應(yīng)與否時(shí)的漿液擴(kuò)散與抗分散規(guī)律。

加入聚丙烯酰胺后，PPGF漿液的順?biāo)當(dāng)U散距離和擴(kuò)散寬度隨著聚丙烯酰胺摻量的變化而變化。試驗(yàn)中，聚丙烯酰胺摻量為2.5%時(shí)，漿液的順?biāo)當(dāng)U散距離最大，混合寬度最小，擴(kuò)散及抗分散性能最優(yōu)。

圖6 不同漿液在不同時(shí)刻的飽和度分布

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姜淑印,李向陽(yáng),楊超,等.考慮析水效應(yīng)的PPGF漿液擴(kuò)散規(guī)律與抗分散特征[J].金屬礦山,2025(4):43-53.

作者簡(jiǎn)介

姜淑印

博士，工程師，山東濟(jì)南人，長(zhǎng)期從事礦山安全綠色開(kāi)采理論與實(shí)踐研究，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文16篇，申請(qǐng)專利15項(xiàng)，主持或參與省、市級(jí)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目4項(xiàng)，榮獲中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，榮獲“振興杯”全國(guó)青年職業(yè)技能大賽創(chuàng)新創(chuàng)效賽優(yōu)勝獎(jiǎng)，榮獲中煤集團(tuán)青年科技獎(jiǎng)

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

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