突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究

牟 林

突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究

牟 林1,2

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

通过骨料灌注法进行动水巷道截流堵水是矿井淹没后进行救援和复矿的重要方法。为研究骨料灌注截流堵水机理，基于水头高度、流速、巷道尺寸、倾角、糙度、骨料粒径、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流试验平台，并依托平台进行单孔、多孔灌注试验，分析动水巷道骨料运移堆积规律。结果表明：骨料正常灌注期间堆积体具有向下游运移生长的特性，迎水面和背水面由涡流控制的坡脚形态存在差异化现象；低流速条件下骨料会快速接顶且孔间存在空腔，高流速条件下孔间堆积体逐渐接龙、灌注量在下游相互叠加；残余过水通道沿截面呈U形分布，存在扰流接顶效应、空气掏蚀效应、堵孔效应、溃坝冲刷效应等典型动力学现象；结合解析法和数值法，对骨料颗粒的起动速度及典型现象进行计算和模拟，验证了试验平台的可靠性；通过浆液灌注实验验证浆液配比和骨料粒径对注浆效果存在重要影响，浆液在骨料堆积体中存在“上多下少”的空间分带性。试验平台的研制对截流堵水工程技术优化具有指导意义。

动水巷道；突水；骨料灌注；截流；试验平台；可视化

矿井发生突水淹井后，采用骨料灌注法建造阻水墙是实现矿井救援和复矿的重要方法[1]，该技术一般分为骨料灌注截流阶段和注浆加固阶段，前者为决定堵水成败的关键。由于地下工程的隐蔽性，动水截流过程长期以来处于经验摸索阶段，亟待通过有效的研究途径实现施工过程的技术优化。

动水截流技术在1984年开滦范各庄煤矿成功实现突水截流以来，先后在国内多个煤矿的特大突水灾害抢险救援中运用，形成了一套集钻探与注浆装备、工艺为一体的动水截流技术体系[2-9]。徐博会等[10]利用Matlab对动水截流进行数值模拟，得出骨料接顶的最小粒径，且注浆加固阶段最大渗流速度出现在顶部；王威[11]对骨料运移及浆液扩散规律和有效阻水段长进行理论分析，结合工程案例进行了验证；惠爽[12]、李维欣[13]利用小型圆巷模拟平台对截流过程进行了研究，分析影响因素；董书宁团队[14-16]、建立水力学模型，对骨料灌注过程进行了定量可视化仿真计算，采用解析法推导浆液的分布扩散方程，分析了阻水墙加固后的应力分布状态，揭示阻水墙建造的一般规律。

以往动水截流技术研究主要集中于现场施工技术与装备工艺层面，近年来理论研究频次呈逐渐增加趋势。在基础试验方面，全面考虑现场实际工况，成功揭示施工过程中的典型现象，验证截流堵水机理的可视化试验方法或平台鲜有报道。笔者为研究和辨识现有动水巷道截流技术理论，优化截流堵水施工过程，基于相似理论研制可视化的骨料灌注试验平台，对截流施工和突水救援具有重要的理论价值和现实意义。

1 动水截流堵水技术原型

动水截流可分为4个阶段：突水后水量稳定阶段，骨料铺底–充填阶段、接顶阶段、注浆加固阶段。动水中骨料被水流携带至下游形成堆积段，通过削减一部分水压力为注浆加固创造有利条件。图1为基于经验层面的骨料灌注截流施工过程示意图，本文重点对第二、三阶段的骨料运移、堆积接顶规律进行试验模拟，从现象和机理层面研究骨料灌注法封堵过水巷道的关键技术。

图1 阻水墙施工过程

2 可视化试验平台的研制

2.1 要素分析

如图2所示，描述骨料灌注截流过程的水力学要素包括：突水水源、突水通道、过水巷道和骨料堆积段，概化的参数包括水源箱水头高度、巷道流速、巷道尺寸、巷道倾角、巷壁糙度、骨料粒径和灌注速度，此外还包括灌注次序和钻孔间距等。

图2 突水及治理模型

2.2 功能设计

试验平台尽可能满足现场实际情况，在骨料灌注过程中，流量相对稳定，进入接顶后期流量下降，上游水压上升。综合以上技术细节及截流过程的基本要素，试验平台应能满足以下功能：① 可提供稳定水头且可变流量；② 可调整舱体倾角；③ 可模拟光滑和粗糙2种巷道状态；④ 可以控制骨料灌注速度；⑤ 可获取巷道沿程水压力分布数据；⑥ 试验舱透明，可观察整个骨料灌注试验过程。

2.3 系统设计

常见实际巷道典型尺寸为4 m×4 m，设定尺寸相似比1︰20，结合相似理论及试验要素，计算得出相似参数(表1)，其中除糙度、运动黏度、动力黏度由于舱体材质和水流黏性无法满足相似比外(表1中方框标示)，其他参数均满足相似理论。糙度接近零时模拟光滑巷道，糙度为0.05时模拟粗糙巷道。

试验系统主要分为5部分：巷道模拟系统、动水循环系统、骨料灌注系统、数据采集系统、图像采集系统。系统功能分区如图3所示，装配情况如图4所示，试验平台真实还原了截流堵水过程的工程情景。

表1 相似模型参数取值

1—可变水位定水头水箱；2—流量表；3—压力传感器；4—升降调节装置；5—骨料灌注料斗；6—进料孔；7—数据采集设备；8—计算机；9—循环水泵；10—照相机；11—模拟巷道系统；12—进水口；13—备用孔

1) 巷道模拟系统

主材采用有机玻璃模拟矩形巷道(图3中注释4和注释11)，通过法兰盘连接，四周通过钢筋螺母加固，进水端设置多孔过水整流装置，调整水流锋面形成稳定均匀的流场。巷道长度共650 cm，截面尺寸20 cm×20 cm，巷道内部可设置钢制网架模拟大糙度工况，舱体底部离地1 m，可模拟8°～ –8°的任意巷道倾角。

2) 动水循环系统

动水循环系统由定水头控制系统和水循环系统组成(图3中注释1，9，12)。定水头控制系统由可变水头水箱、溢流阀、水管、水表及压力表组成；水循环系统由过滤储水箱、循环水泵(25 m3/h)、水管组成。试验时开启循环水泵，储水箱中的水经过水管循环至定水头水箱，通过进水阀和溢流阀控制舱内流速和水头高度。

3) 骨料灌注系统

骨料灌注系统由装料斗、支架、电动螺旋杆组成(图3中注释5，6，13)。灌注装置的高度略低于定水位水箱高度，可根据试验情况进行现场调整，确保下料管中水位低于出料口。试验开始前，将料斗放置于灌注孔的正上方，将出料口与钻孔通过透明塑料管连接，试验时根据工况打开或关闭料斗供料，通过螺杆马达控制进料速度，出现堵孔时可采用射流下料。

图4 平台装配情况及糙度模拟装置

4) 数据采集系统

数据采集系统包括流量表、压力传感器、数据传输线、数据采集器、计算机组成(图3中注释2，7，8)。在进水端安装流量表采集试验舱过水量；在试验舱顶底板安装压力传感器，检测巷道长轴方向上的压力分布。

5) 图像采集系统

图像采集系统由2台照相机组成(图3中注释10)，对骨料灌注过程中颗粒的运动过程、骨料堆积形态、骨料接顶过程进行全程拍摄，记录骨料灌注试验过程及关键技术节点，用于直观分析和总结、发现规律。

3 动水截流骨料灌注试验

3.1 单孔灌注试验

根据相似比参数设定，当初始流速为0.11 m/s时，舱体内流量为15.84 m³/h，可模拟现场水量28 800 m³/h。为充分挖掘试验平台的负载能力，使堆积体的形态在不同灌注阶段充分发育，单孔灌注期间初始流量总体设定在13 m³/h左右，堆积形态稳定后调整灌注速度及流量获取其他工况数据。本试验采用5种粒径区间的骨料：2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm，每组分–8°(下山)、水平、8°(上山)3种条件，共计15个工况。以1～2 mm(图5a)、0.1～0.2 mm(图5b)和0.2～0.4 mm(图6)为例，分析堆积演化过程。

3.1.1 堆积体形态演化一般过程

当巷道中为静水环境时，骨料下沉受有效重力、垂向拖曳力、垂向干涉力共同作用，颗粒粒径越大，下沉速度越快，颗粒触底后形成形态对称的水下堆积体。随着巷道中水流开始流动，骨料颗粒下沉过程中除受上述垂向作用力之外，在水平方向还受水平拖曳力、水平干涉力的作用，骨料的落点位置(位移状态)由2个方向受力情况共同决定。如图5a所示，以1～2 mm为例，动水中骨料堆积初期，粗颗粒的堆积形态总体上为非对称的金字塔形堆积体，粒径越粗，轮廓愈显著。如图5b所示，以0.1～0.2 mm为例，细颗粒在初期的堆积状态则有所不同，由于细颗粒的沉降速度小于粗颗粒，向下游运动的时间和距离均比粗颗粒要长，堆积体在坡脚会向下游拉伸形成长长的拖尾，过长的拖尾段会增加骨料的灌注量，对于快速建造足够长度的有效接顶段没有实际意义。

图5 粒径1～2 mm 与0.1～0.2 mm骨料在不同坡度堆积形态的演化过程

骨料堆积至一定高度之后，堆积体顶部未接顶区内流速逐渐增大，流场不断被压缩，如果被压缩后流场的携砂能力不足以将当前灌注速度下的骨料顺利携带至下游，则孔底堆积高度继续增加直至率先接顶、堵孔。本次试验的初始流量为13 m³/h，换算流速为0.09 m/s，各粒径区间的骨料在达到最大堆积高度之后均无法接顶，骨料被压缩后的流场顺势搬运至背水坡面。如果灌注期间下料速度、巷道流量保持不变，堆积体将在垂向保持高度不变、而轴向方向保持稳定的生长状态不断向下游延伸。以上过程表明，初始流速满足条件时，堆积体可通过不断压缩流场获得持续的轴向生长能力，这反映了理想巷道条件下骨料堆积的一般规律。

3.1.2 迎水坡面与背水坡面休止角

詹义正等[17-19]分析了砂床动水休止角的力学模型，发现休止角大小主要与流速和粒径相关，本次单孔灌注试验也验证了这一特点。该模型设定床砂已经堆积至底部(或迅速下沉至底部)，不考虑水平位移，在迎水和背水坡面，水流的拖曳力分别起到削减和增加坡面角度的作用，导致迎水面的坡脚略小于背水面(图5a)。对于粒径更细的0.1～0.2 mm颗粒(图5b)，堆积体形态从一开始就与其他相对粗的粒径完全相反，主要原因是水流流速相对于骨料粒径过快，向下游下沉期间发生的位移过大，无法满足骨料迅速下沉的前提条件，其堆积形态是由2种效应的叠加而成：①已有骨料堆积体受水平流速改造发生休止角变化；②骨料下沉期间在紊流场中发生水平运移影响堆积形态。图6可直观看出背水坡面由2种效应组成，近背水坡面坡脚陡倾，远离背水坡面向下游逐渐变缓，两者间存在明显的转换节点。事实上，第二种效应对于粗颗粒也存在，只是粗颗粒下沉速度快、水平运移速度低，最终导致水平方向位移可以忽略不计。对于0.1～0.2 m颗粒，第二种效应占据主导，二者叠加后形成了表观上与粗颗粒堆积体截然不同的形态。

图6 迎水与背水坡面形态(0.2～0.4 mm)

3.2 多孔灌注试验

如图7a所示，当骨料灌注的速度及粒径大于当前流速携砂能力时，骨料很快发生接顶，这种情况常见于灌注期间过水量较小的情况。2010年3月，骆驼山煤矿截流初期水量为3 850 m³/h(实际灌注期间小于该水量)，骨料用量仅75 m³即接顶堵孔，最后采用水泥–水玻璃双液浆充填堆积体间空腔，水泥浆液可视为粒径极细的骨料颗粒，在水流作用下携带至钻孔下游的空腔进行沉积和充填，这种“先粗后细”的施工方法是根据现场实际条件综合研判的结果。

图7 孔间接龙及灌注量叠加效应

当骨料灌注期间流量较大，骨料灌注量能及时被水流携带至下游时，钻孔之间的堆积段会不断沿巷道长轴生长，直至相互接龙(图7b)，接龙之后各孔的灌注量会进一步叠加并压缩过水通道，同等灌注条件下，由于骨料的叠加效应(图7c)，下游的骨料堆积高度大于上游钻孔，即发生优先接顶的概率大于上游钻孔。实际灌注过程中各钻孔的灌注速度、骨料粒径、巷道糙度条件、排气条件均存在较大差异，上述现象可能不明显，但下游孔对截流的意义不容忽视。

3.3 接顶期间的水动力现象

3.3.1 残余过水通道

巷道的糙度对流场的影响不可忽视，本次试验采用亚克力管道模拟壁面光滑型的巷道，对应到井下为展布平直的砌碹或喷浆巷道。巷道临近接顶期间，残余过水通道在长轴方向总体为均匀、层状展布，通道内中间低两边边界层附近略高，呈现U字型分布。在孔底中央附近，受骨料补给作用，堆积高度最高，残余通道高度最小；两侧受来水方向水流冲刷作用影响，残余通道高度偏大。如图8所示，由于巷道光滑平直，临近接顶期间，骨料会在孔底附近优先堵孔，造成无法有效接顶，形成这一现象的原因在于残余通道内的骨料补给源头来自钻孔底部，即使发生接顶，光滑巷道中钻孔底部的优先级始终高于其他位置，实现有效接顶的难度较大。

对于粗糙型巷道，本次试验采用U型钢制格栅模拟井下存在锚网支护、U型架棚支护的巷道条件。如图9所示，随着钢制格栅的加入，巷道糙度发生改变，水流在经过钢制格栅附近时，发生剧烈的扰流效应，形成向下掏蚀的漩涡，并将骨料抛掷到格栅中间的区域，形成中间高、两边低的堆积形态。由于糙度改变导致残余过水通道在长轴方向不再均一展布，而是时高时低间歇性地发生切换。巷道糙度较大无疑增加了残余过水通道形态的不稳定性，使某些区域的接顶状态甚至优于孔底(图9a)，随着骨料粒径及灌注顺序的不断改变，孔间可能出现多个局部接顶区域(图9b)，当接顶区域不断增加并相互搭接达到一定规模时，成功截流成为可能。从局部接顶位置(图9c)顶部形态来看，钢制格栅为骨料的滞留提供“庇护所”，相当于增加了流场边界层的范围，这部分区域流速总体变缓有利于骨料的淤积。

图8 光滑型巷道残余过水通道空间形态

图9 粗糙型巷道残余过水通道空间形态

3.3.2 气体掏蚀现象

现场灌注过程中，骨料和水流中不可避免会掺杂大量空气，形成气–固–液三相流顺钻孔进入巷道内部，当气体不能及时从排气孔中排出时，会在巷道中聚集成团，甚至连成一片。在水平巷道中，这种气体团聚效应会压缩顶部流场，相当于巷道顶板发生变形下沉，导致流场剧烈扰动，局部空气聚集会使残余通道呈凹形下陷，明显降低堆积高度(图10a、图10b)，空气大规模成片聚集，会使巷内下游堆积体被压缩后的流场整体掏蚀，形成大量无效堆积区域(图10c)。对于倾斜巷道，空气会向高程相对较高的区域聚集，虽然对骨料的堆积形态影响可以忽略不计，但如果没有逸出通道，同样也会不断聚集并增加灌注区域内的压力，导致下料不顺畅，因此，骨料灌注期间发生频繁冲孔时，应及时排气或设置排气钻孔，将气体排出，减少无效灌注工作量。试验表明，对于水平巷道，排气孔设置在下游有利于气体排出，对于灌注段有坡度的情况，排气孔设置在高程相对较高的区域更有利于气体排出，试验期间空气对灌注的干扰作用与现场经验相符。

图10 空气进入后对流场及堆积形态的影响

3.3.3 孔底及孔内堵孔现象

灌注过程中堵孔现象时有发生，堵孔分为4类，一类是水固比过低导致砂粒间由于液桥力发生聚团，形成堵孔(图11a)；二类是下料管道过长、垂直度偏低导致水流阻力过大，骨料流动不畅形成堵孔；三类是骨料粒径过粗导致孔底骨料运移不畅，形成堵孔(图11b)；四类是巷道内气体没有及时排除，导致孔内气压升高发生顶孔。减少堵孔的方法包括提高水固比、增加下料管直径和垂直度、选用合适粒径骨料、控制下料速度及设置必要的排气钻孔等。

3.3.4 清舱时的水动力学现象

如图12所示，在试验结束清仓时，下游放水压力为零，瞬间增大了堆积段两端压差，水流加速，颗粒被瞬间起动，空气迅速进入舱内率先掏蚀堆积段下游，之后不断延伸至上游，形成具有一定水力梯度的沙坡，在此期间，下游为非满流状态，这种现象属于堆积段溃坝的一种类型；另外一种溃坝类型为堆积段接顶后因接顶区自身强度及稳定性不够，无法承受堆积段上下游的压力差，水流发生渗流失稳，出现管涌型溃坝，溃坝期间始终处于满流状态。不论哪种类型的溃坝现象，最薄弱的区域均在残余通道内，这部分区域为后期注浆的重要加固区域。

3.3.5 截流期间压力响应特征

以3.2 m3/h流量的截流试验为例，根据堆积情况实时匹配各钻孔的投料粒径，0～13 min采用射流灌注0.1～0.2 mm粒径骨料，当骨料堆积高度达到18 cm时，残余通道高度约2 cm，顶区平均流速达到0.22 m/s，之后陆续采用0.5～1、1～2、2～4 mm进行组合搭配，直至成功出现接顶段。图13为灌注过程中各监测孔的压力响应特征，0～45 min为铺底和充填阶段，该阶段顶部未充填的空间足够大，对水流产生的阻力较小，因此，传感器水头变化总体稳定在正负零附近；45～75 min，随着骨料灌注进入接顶阶段后，残余通道被进一步压缩，水流速度增加，巷壁及骨料对水流的阻力开始显现出来，巷道内水位开始逐渐升高，变化量约0.5 m；75～100 min，结合接顶形势进一步调整各钻孔骨料灌注配比，使残余通道进一步压缩，巷道内压力明显上升，表明灌注过程已全面进入最后的截流阶段，此时需反复调整骨料配比，保持灌注强度持续灌注直至截流成功。

4 试验平台的可靠性分析

4.1 解析法验证

表2统计了15个工况下单孔灌注试验的残余通道高度i、骨料灌注速度i、初始流量及残余通道平均流速d。起动流速依据文献[20]关于不同粒径砂在水平明渠起动流速的解析公式进行计算，表2数据表明，残余通道内平均流速总体上略大于对应粒径的起动流速解析值。在下山8°条件下，d与的上限最接近，水平巷道中次之，上山巷道中偏离最大。试验值略高于解析值上限的原因是：明渠和管道流流速分布存在差异，且骨料起动概率远大于强动状态下的50%以上，因此，试验结果符合泥沙动力学的一般规律。

笔者[21]通过解析模型求解了骨料颗粒起动速度与坡度的关系，得出在下山8°、水平、上山8°巷道中相对起动流速分别为0.89、1、1.09，即上山和下山中的比值约为1.22，最大相差约20%，从表1也可以得出类似规律，各级骨料(2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm)在上山和下山中，顶部未接顶空间流速比值分别为：1.27、1.27、1.26、1.13、1.52，均值1.29，略大于前述理论分析值1.22，这也说明了本试验能与解析模型较好地吻合。

4.2 数值法验证

牟林等[14]基于CFD-DEM耦合算法，对骨料灌注过程进行了数值模拟计算，先由Fluent将某一时间点的流场计算收敛，将流场信息转化为DEM中作用在颗粒上的流体曳力，DEM计算每个颗粒所受的外力(曳力、重力及碰撞力等)，并由此更新颗粒位置、速度等信息，最后以动量汇形式加到CFD中实现双向耦合。

模拟时按照从细到粗依次投料，至接顶阶段结合真实条件采用组合投料，模拟结果与试验平台所发现的现象一致，如高流速(图14a)条件下堆积长度的轴向生长效应、孔间堆积体的接龙效应、骨料灌注量在下游的叠加效应、接顶区的逆向生长效应等典型规律，以及低流速(图14b)条件下的快速接顶及孔间空腔等现象，验证了试验平台能模拟骨料灌注截流过程的一般规律。数值模拟还发现未接顶区和堆积区分界对应启动流速上限，堆积体形态由流场与灌注能力的动态平衡决定，当流场的携带能力小于灌注能力时，表现为接顶容易；反之接顶困难，这与平台试验所显现的规律一致。

表2 不同工况下残余通道流速统计

注：画下横线数据为射流工况下的结果。

图14 骨料灌注过程现象的数值模拟

5 动水截流堵水机制分析

如图15所示，阻水墙在不同的建造阶段中水流流态存在明显区别。骨料灌注目的是通过形成一定长度的堆积段，将灌注期间主流区内的管道流逐渐转化为骨料接顶期间内的高速渗流，最后通过注浆加固将流态转换成低速渗流，形成永久性的阻水体。

图15 各阶段流态空间分布特征

骨料铺底–充填–接顶灌注期间的堆积过程存在向下游生长、孔间叠加、逆向接顶等一般性规律。骨料灌注过程常受现场条件影响，当灌注次序和强度发生改变时，需注重临场感知和综合判识，尤其是进入接顶阶段后需要反复调配比例和灌注强度，增大有效接顶段出现的概率，使随机性接顶的过程逐渐转变为成功截流的必然事件。成功接顶后堆积段将进入渗流状态，残余通道中浆液运移阻力小，渗流速度最高，浆液占比最大，下部细骨料浆液运移阻力大，渗流速度低，浆液占比少。如图16a—图16d所示，将量筒内预先注满不同粒径(0～3、3～10、10～30 mm)骨料，之后加入不同水灰比浆液(4︰1、2︰1、1︰1、0.5︰1)，并观测其可灌性。水灰比0.5︰1的浆液因黏度过高，不借助灌浆压力无法在任何一种骨料中自由下渗，0～3 mm骨料由于空隙太小，也无法使任意一种浆液向下自由下渗。水灰比1︰1、2︰1、4︰1的浆液与3～10、10～30 mm的骨料搭配后，均能实现浆液向下自由渗流。但由于水泥绝对含量受水灰比约束，水灰比1︰1的浆液形成的结石体含量最高，能达到较好的封堵效果；随着水灰比的降低，析出水的体积变大，结石效果变差。本试验说明了浆液配比和骨料粒径对注浆效果的影响巨大，同时也证明浆液在巷道高度方向存在空间分带性。图16e进一步模拟水灰比2︰1、4 m水压差条件下通过不同粒径骨料时浆液的分带性，发现下部细骨料浆液含量远小于上部粗颗粒，表明堆积体中浆液的运移规律区别于相对均质的岩土体，表现为前期低压阶段以顶部残余空间的充填为主，后期浆液在高压作用下发生垂向渗透，进浆量减少，注浆难度增加。

图16 水泥浆液在骨料中的渗透现象

6 结论

a.考虑实际工况设计了骨料灌注截流可视化模拟试验平台，平台的基本组成包括巷道模拟系统、动水循环系统、骨料灌注系统、数据采集系统、图像采集系统。

b.堆积体具有向下游生长的特性，堆积体迎水面和背水面坡脚大小存在差异化的规律。低流速条件下骨料会快速接顶、高流速条件下孔间存在相互接龙并在下游相互叠加、逆向接顶的基本规律。

c. 平滑型巷道中存在残余过水通道的U型分布特征、粗糙型巷道中的扰流接顶效应、空气的掏蚀效应、堵孔效应、溃坝冲刷效应，证实了实际骨料灌注堆积过程的复杂性。

d.结合解析法得出同种颗粒在下山8°、水平、上山8°巷道中相对起动流速分别为0.89、1、1.09，采用数值方法模拟了骨料的运移规律，两种方法均与试验平台所取得的数据或规律一致，表明试验平台能满足动水截流试验的技术要求。

e.注浆加固阶段浆液配比及骨料粒径对注浆效果存在重要影响，浆液在堆积体中存在“上多下少”的空间分带性。

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Experimental study on visual system for water-blocking process of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mine

MOU Lin1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Blocking water of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mines is an important method for mine rescue. To study its mechanism, the experimental platform of similar simulation test was establishedbased on such factors as water head height, flow rate, roadway size, inclination angle, roughness, aggregate particle size and perfusion speed. Based on the platform, single-hole and multi-hole pouring tests were carried out to analyze the movement and accumulation law of aggregate in hydrodynamic pathway. The results are as follows. Firstly, the accumulation body has the characteristics of migration and growth to the downstream during the normal pouring period, and the formation mechanism of the slope shape of the upstream and downstream is confirmed. Under the condition of low flow rate, the aggregate will connect to the top in a rapid speed and there are cavities between the holes. Under the condition of high flow rate, the accumulation body between the holes will gradually connect and the pouring volume will be superimposed on each other downstream. Secondly, several typical phenomena are found, including the U-shaped distribution characteristics of the residual water passage, the disturbing flow top effect in the rough roadway, the air erosion effect, the hole plugging effect, and the dam break scouring effect. Thirdly, combined with analytical method and numerical method, the reliability of the test platform is verified from the starting speed of aggregate particles and the key phenomena in the process of aggregate accumulation. Finally, by a slurry grouting test, it is proved that the slurry ratio and the size of aggregate particles have a great influence on the grouting effect, and that the slurry has spatial zoning in the aggregate accumulation. The test platform has a guiding significance for the optimization of water-blocking engineering technology.

hydrodynamic pathway; water inrush; aggregate pouring; water-blocking; testing platform; visualization

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TD741

A

1001-1986(2021)05-0156-11

2021-03-30；

2021-07-06

国家重点研发计划课题(2017YFC0804106)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2019XAYMS22)

牟林，1985年生，男，湖北松滋人，博士，副研究员，从事煤矿水害防治研究工作. E-mail：258323938@qq.com

牟林. 突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：156–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.017

MOU Lin. Experimental study on visual system for water-blocking process of hydrodynamic roadway by aggregate pouring in water inrush mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：156–166. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.017

(责任编辑 周建军)