在煤矿开采过程中，受复杂水文地质条件的影响，工程建设经常会遭遇突涌水、塌方等地质灾害，严重制约了地下工程的安全建设和发展。注浆技术作为地下突涌水灾害治理的有效手段，在煤矿水害防治领域得到了广泛应用。为研究动水条件下倾斜裂隙注浆扩散规律及封堵机理，通过自主研发的动水注浆试验系统，进行了倾斜裂隙动水注浆试验；采用有限元法求解Navier-Stokes方程和浆-水相界面控制方程，获得了注浆过程中不同时刻的浆液扩散形态和扩散面积，分析了倾斜裂隙空间内的流速场和压力场分布规律，并与试验结果进行了对比验证；基于模型试验与数值模拟结果，揭示了堵水关键域浆液运移规律，建立了倾斜裂隙动水注浆堵水关键域扩散模型。结果表明：当注浆压力恒定不变时，随着裂隙倾角和动水流量的增大，浆液沿顺水方向扩散距离均随之迅速增大至出流边界，沿逆水方向和垂直于动水流向的扩散距离明显减小，导致浆液扩散面积不断减小，使得浆液扩散形态由圆形变为椭圆形，最终到达出流边界时呈U形；在注浆扩散过程中，随着裂隙倾角的增加，浆液不断驱替过水断面逐步形成了高流速过水通道，使得裂隙横断面流速分布呈现出岭陡谷宽的形状；同时，在倾斜裂隙不同高差位置压力曲线随时间同步变化，沿顺、逆水方向(测线1)压力分布从动水入口至出流边界呈递减趋势，且裂隙倾角越大，压力场衰减越快，沿垂直于水流方向(测线3)压力分布具有对称性，表现为在注浆孔处压力值最大，且注浆孔周围压力衰减速度最快，随着与注浆孔距离的增加，压力衰减速度逐渐减小并趋于平缓。根据浆液在裂隙中的分区-分层扩散方式，确定了堵水关键域位置与范围大小，且堵水关键域面积的试验测试结果与理论计算值之间的误差均小于8.5%，表明本文所建立扩散模型能够描述堵水关键域浆液的扩散过程。根据注浆孔与堵水关键域的相对位置，合理布置注浆孔可有效提高注浆堵水效果，据此对传统注浆工艺提出改善建议。

1 裂隙注浆模型试验
1.1 注浆试验系统
1.2 试验方案及步骤
1.3 试验数据采集
1.3.1 浆液扩散形态记录
1.3.2 流速场和压力场分布规律监测
2 动水注浆数值模型
2.1 几何模型及边界条件
2.2 控制方程
2.2.1 流体运动方程
2.2.2 流动连续性方程
2.2.3 两相流界面控制方程
2.3 计算参数
3 模型试验及数值模拟结果分析
3.1 浆液扩散形态对比分析
3.1.1 裂隙倾角对浆液扩散范围的影响
3.1.2 动水流量对浆液扩散范围的影响
3.2 流速场分布规律分析
3.2.1 测线2、3、4的流速分布特征
3.2.2 测线5的流速分布特征
3.3 压力分布特征对比分析
4 浆液堵水关键域分析
4.1 堵水关键域浆液运移规律
4.2 堵水关键域注浆扩散模型
4.2.1 基本假设
4.2.2 扩散模型的建立
4.3 试验结果与扩散模型对比分析
5 传统注浆工艺完善
6 结 论

张嘉凡,孙晓东,刘洋,覃祥瑞,张慧梅.倾斜裂隙动水注浆扩散规律及堵水关键域研究[J/OL].煤炭学报:1-15[2023-06-03].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2023.0049.