突水礦井動水巷道骨料灌注截流可視化平臺研制與試驗研究

牟 林

突水礦井動水巷道骨料灌注截流可視化平臺研制與試驗研究

牟 林1,2

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

通過骨料灌注法進行動水巷道截流堵水是礦井淹沒后進行救援和復礦的重要方法。為研究骨料灌注截流堵水機理，基于水頭高度、流速、巷道尺寸、傾角、糙度、骨料粒徑、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流試驗平臺，并依托平臺進行單孔、多孔灌注試驗，分析動水巷道骨料運移堆積規律。結果表明：骨料正常灌注期間堆積體具有向下游運移生長的特性，迎水面和背水面由渦流控制的坡腳形態存在差異化現象；低流速條件下骨料會快速接頂且孔間存在空腔，高流速條件下孔間堆積體逐漸接龍、灌注量在下游相互疊加；殘余過水通道沿截面呈U形分布，存在擾流接頂效應、空氣掏蝕效應、堵孔效應、潰壩沖刷效應等典型動力學現象；結合解析法和數值法，對骨料顆粒的起動速度及典型現象進行計算和模擬，驗證了試驗平臺的可靠性；通過漿液灌注實驗驗證漿液配比和骨料粒徑對注漿效果存在重要影響，漿液在骨料堆積體中存在“上多下少”的空間分帶性。試驗平臺的研制對截流堵水工程技術優化具有指導意義。

動水巷道；突水；骨料灌注；截流；試驗平臺；可視化

礦井發生突水淹井后，采用骨料灌注法建造阻水墻是實現礦井救援和復礦的重要方法[1]，該技術一般分為骨料灌注截流階段和注漿加固階段，前者為決定堵水成敗的關鍵。由于地下工程的隱蔽性，動水截流過程長期以來處于經驗摸索階段，亟待通過有效的研究途徑實現施工過程的技術優化。

動水截流技術在1984年開灤范各莊煤礦成功實現突水截流以來，先后在國內多個煤礦的特大突水災害搶險救援中運用，形成了一套集鉆探與注漿裝備、工藝為一體的動水截流技術體系[2-9]。徐博會等[10]利用Matlab對動水截流進行數值模擬，得出骨料接頂的最小粒徑，且注漿加固階段最大滲流速度出現在頂部；王威[11]對骨料運移及漿液擴散規律和有效阻水段長進行理論分析，結合工程案例進行了驗證；惠爽[12]、李維欣[13]利用小型圓巷模擬平臺對截流過程進行了研究，分析影響因素；董書寧團隊[14-16]、建立水力學模型，對骨料灌注過程進行了定量可視化仿真計算，采用解析法推導漿液的分布擴散方程，分析了阻水墻加固后的應力分布狀態，揭示阻水墻建造的一般規律。

以往動水截流技術研究主要集中于現場施工技術與裝備工藝層面，近年來理論研究頻次呈逐漸增加趨勢。在基礎試驗方面，全面考慮現場實際工況，成功揭示施工過程中的典型現象，驗證截流堵水機理的可視化試驗方法或平臺鮮有報道。筆者為研究和辨識現有動水巷道截流技術理論，優化截流堵水施工過程，基于相似理論研制可視化的骨料灌注試驗平臺，對截流施工和突水救援具有重要的理論價值和現實意義。

1 動水截流堵水技術原型

動水截流可分為4個階段：突水后水量穩定階段，骨料鋪底–充填階段、接頂階段、注漿加固階段。動水中骨料被水流攜帶至下游形成堆積段，通過削減一部分水壓力為注漿加固創造有利條件。圖1為基于經驗層面的骨料灌注截流施工過程示意圖，本文重點對第二、三階段的骨料運移、堆積接頂規律進行試驗模擬，從現象和機理層面研究骨料灌注法封堵過水巷道的關鍵技術。

圖1 阻水墻施工過程

2 可視化試驗平臺的研制

2.1 要素分析

如圖2所示，描述骨料灌注截流過程的水力學要素包括：突水水源、突水通道、過水巷道和骨料堆積段，概化的參數包括水源箱水頭高度、巷道流速、巷道尺寸、巷道傾角、巷壁糙度、骨料粒徑和灌注速度，此外還包括灌注次序和鉆孔間距等。

圖2 突水及治理模型

2.2 功能設計

試驗平臺盡可能滿足現場實際情況，在骨料灌注過程中，流量相對穩定，進入接頂后期流量下降，上游水壓上升。綜合以上技術細節及截流過程的基本要素，試驗平臺應能滿足以下功能：① 可提供穩定水頭且可變流量；② 可調整艙體傾角；③ 可模擬光滑和粗糙2種巷道狀態；④ 可以控制骨料灌注速度；⑤ 可獲取巷道沿程水壓力分布數據；⑥ 試驗艙透明，可觀察整個骨料灌注試驗過程。

2.3 系統設計

常見實際巷道典型尺寸為4 m×4 m，設定尺寸相似比1︰20，結合相似理論及試驗要素，計算得出相似參數(表1)，其中除糙度、運動黏度、動力黏度由于艙體材質和水流黏性無法滿足相似比外(表1中方框標示)，其他參數均滿足相似理論。糙度接近零時模擬光滑巷道，糙度為0.05時模擬粗糙巷道。

試驗系統主要分為5部分：巷道模擬系統、動水循環系統、骨料灌注系統、數據采集系統、圖像采集系統。系統功能分區如圖3所示，裝配情況如圖4所示，試驗平臺真實還原了截流堵水過程的工程情景。

表1 相似模型參數取值

1—可變水位定水頭水箱；2—流量表；3—壓力傳感器；4—升降調節裝置；5—骨料灌注料斗；6—進料孔；7—數據采集設備；8—計算機；9—循環水泵；10—照相機；11—模擬巷道系統；12—進水口；13—備用孔

1) 巷道模擬系統

主材采用有機玻璃模擬矩形巷道(圖3中注釋4和注釋11)，通過法蘭盤連接，四周通過鋼筋螺母加固，進水端設置多孔過水整流裝置，調整水流鋒面形成穩定均勻的流場。巷道長度共650 cm，截面尺寸20 cm×20 cm，巷道內部可設置鋼制網架模擬大糙度工況，艙體底部離地1 m，可模擬8°～ –8°的任意巷道傾角。

2) 動水循環系統

動水循環系統由定水頭控制系統和水循環系統組成(圖3中注釋1，9，12)。定水頭控制系統由可變水頭水箱、溢流閥、水管、水表及壓力表組成；水循環系統由過濾儲水箱、循環水泵(25 m3/h)、水管組成。試驗時開啟循環水泵，儲水箱中的水經過水管循環至定水頭水箱，通過進水閥和溢流閥控制艙內流速和水頭高度。

3) 骨料灌注系統

骨料灌注系統由裝料斗、支架、電動螺旋桿組成(圖3中注釋5，6，13)。灌注裝置的高度略低于定水位水箱高度，可根據試驗情況進行現場調整，確保下料管中水位低于出料口。試驗開始前，將料斗放置于灌注孔的正上方，將出料口與鉆孔通過透明塑料管連接，試驗時根據工況打開或關閉料斗供料，通過螺桿馬達控制進料速度，出現堵孔時可采用射流下料。

圖4 平臺裝配情況及糙度模擬裝置

4) 數據采集系統

數據采集系統包括流量表、壓力傳感器、數據傳輸線、數據采集器、計算機組成(圖3中注釋2，7，8)。在進水端安裝流量表采集試驗艙過水量；在試驗艙頂底板安裝壓力傳感器，檢測巷道長軸方向上的壓力分布。

5) 圖像采集系統

圖像采集系統由2臺照相機組成(圖3中注釋10)，對骨料灌注過程中顆粒的運動過程、骨料堆積形態、骨料接頂過程進行全程拍攝，記錄骨料灌注試驗過程及關鍵技術節點，用于直觀分析和總結、發現規律。

3 動水截流骨料灌注試驗

3.1 單孔灌注試驗

根據相似比參數設定，當初始流速為0.11 m/s時，艙體內流量為15.84 m3/h，可模擬現場水量28 800 m3/h。為充分挖掘試驗平臺的負載能力，使堆積體的形態在不同灌注階段充分發育，單孔灌注期間初始流量總體設定在13 m3/h左右，堆積形態穩定后調整灌注速度及流量獲取其他工況數據。本試驗采用5種粒徑區間的骨料：2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm，每組分–8°(下山)、水平、8°(上山)3種條件，共計15個工況。以1～2 mm(圖5a)、0.1～0.2 mm(圖5b)和0.2～0.4 mm(圖6)為例，分析堆積演化過程。

3.1.1 堆積體形態演化一般過程

當巷道中為靜水環境時，骨料下沉受有效重力、垂向拖曳力、垂向干涉力共同作用，顆粒粒徑越大，下沉速度越快，顆粒觸底后形成形態對稱的水下堆積體。隨著巷道中水流開始流動，骨料顆粒下沉過程中除受上述垂向作用力之外，在水平方向還受水平拖曳力、水平干涉力的作用，骨料的落點位置(位移狀態)由2個方向受力情況共同決定。如圖5a所示，以1～2 mm為例，動水中骨料堆積初期，粗顆粒的堆積形態總體上為非對稱的金字塔形堆積體，粒徑越粗，輪廓愈顯著。如圖5b所示，以0.1～0.2 mm為例，細顆粒在初期的堆積狀態則有所不同，由于細顆粒的沉降速度小于粗顆粒，向下游運動的時間和距離均比粗顆粒要長，堆積體在坡腳會向下游拉伸形成長長的拖尾，過長的拖尾段會增加骨料的灌注量，對于快速建造足夠長度的有效接頂段沒有實際意義。

圖5 粒徑1～2 mm 與0.1～0.2 mm骨料在不同坡度堆積形態的演化過程

骨料堆積至一定高度之后，堆積體頂部未接頂區內流速逐漸增大，流場不斷被壓縮，如果被壓縮后流場的攜砂能力不足以將當前灌注速度下的骨料順利攜帶至下游，則孔底堆積高度繼續增加直至率先接頂、堵孔。本次試驗的初始流量為13 m3/h，換算流速為0.09 m/s，各粒徑區間的骨料在達到最大堆積高度之后均無法接頂，骨料被壓縮后的流場順勢搬運至背水坡面。如果灌注期間下料速度、巷道流量保持不變，堆積體將在垂向保持高度不變、而軸向方向保持穩定的生長狀態不斷向下游延伸。以上過程表明，初始流速滿足條件時，堆積體可通過不斷壓縮流場獲得持續的軸向生長能力，這反映了理想巷道條件下骨料堆積的一般規律。

3.1.2 迎水坡面與背水坡面休止角

詹義正等[17-19]分析了砂床動水休止角的力學模型，發現休止角大小主要與流速和粒徑相關，本次單孔灌注試驗也驗證了這一特點。該模型設定床砂已經堆積至底部(或迅速下沉至底部)，不考慮水平位移，在迎水和背水坡面，水流的拖曳力分別起到削減和增加坡面角度的作用，導致迎水面的坡腳略小于背水面(圖5a)。對于粒徑更細的0.1～0.2 mm顆粒(圖5b)，堆積體形態從一開始就與其他相對粗的粒徑完全相反，主要原因是水流流速相對于骨料粒徑過快，向下游下沉期間發生的位移過大，無法滿足骨料迅速下沉的前提條件，其堆積形態是由2種效應的疊加而成：①已有骨料堆積體受水平流速改造發生休止角變化；②骨料下沉期間在紊流場中發生水平運移影響堆積形態。圖6可直觀看出背水坡面由2種效應組成，近背水坡面坡腳陡傾，遠離背水坡面向下游逐漸變緩，兩者間存在明顯的轉換節點。事實上，第二種效應對于粗顆粒也存在，只是粗顆粒下沉速度快、水平運移速度低，最終導致水平方向位移可以忽略不計。對于0.1～0.2 m顆粒，第二種效應占據主導，二者疊加后形成了表觀上與粗顆粒堆積體截然不同的形態。

圖6 迎水與背水坡面形態(0.2～0.4 mm)

3.2 多孔灌注試驗

如圖7a所示，當骨料灌注的速度及粒徑大于當前流速攜砂能力時，骨料很快發生接頂，這種情況常見于灌注期間過水量較小的情況。2010年3月，駱駝山煤礦截流初期水量為3 850 m3/h(實際灌注期間小于該水量)，骨料用量僅75 m3即接頂堵孔，最后采用水泥–水玻璃雙液漿充填堆積體間空腔，水泥漿液可視為粒徑極細的骨料顆粒，在水流作用下攜帶至鉆孔下游的空腔進行沉積和充填，這種“先粗后細”的施工方法是根據現場實際條件綜合研判的結果。

圖7 孔間接龍及灌注量疊加效應

當骨料灌注期間流量較大，骨料灌注量能及時被水流攜帶至下游時，鉆孔之間的堆積段會不斷沿巷道長軸生長，直至相互接龍(圖7b)，接龍之后各孔的灌注量會進一步疊加并壓縮過水通道，同等灌注條件下，由于骨料的疊加效應(圖7c)，下游的骨料堆積高度大于上游鉆孔，即發生優先接頂的概率大于上游鉆孔。實際灌注過程中各鉆孔的灌注速度、骨料粒徑、巷道糙度條件、排氣條件均存在較大差異，上述現象可能不明顯，但下游孔對截流的意義不容忽視。

3.3 接頂期間的水動力現象

3.3.1 殘余過水通道

巷道的糙度對流場的影響不可忽視，本次試驗采用亞克力管道模擬壁面光滑型的巷道，對應到井下為展布平直的砌碹或噴漿巷道。巷道臨近接頂期間，殘余過水通道在長軸方向總體為均勻、層狀展布，通道內中間低兩邊邊界層附近略高，呈現U字型分布。在孔底中央附近，受骨料補給作用，堆積高度最高，殘余通道高度最小；兩側受來水方向水流沖刷作用影響，殘余通道高度偏大。如圖8所示，由于巷道光滑平直，臨近接頂期間，骨料會在孔底附近優先堵孔，造成無法有效接頂，形成這一現象的原因在于殘余通道內的骨料補給源頭來自鉆孔底部，即使發生接頂，光滑巷道中鉆孔底部的優先級始終高于其他位置，實現有效接頂的難度較大。

對于粗糙型巷道，本次試驗采用U型鋼制格柵模擬井下存在錨網支護、U型架棚支護的巷道條件。如圖9所示，隨著鋼制格柵的加入，巷道糙度發生改變，水流在經過鋼制格柵附近時，發生劇烈的擾流效應，形成向下掏蝕的漩渦，并將骨料拋擲到格柵中間的區域，形成中間高、兩邊低的堆積形態。由于糙度改變導致殘余過水通道在長軸方向不再均一展布，而是時高時低間歇性地發生切換。巷道糙度較大無疑增加了殘余過水通道形態的不穩定性，使某些區域的接頂狀態甚至優于孔底(圖9a)，隨著骨料粒徑及灌注順序的不斷改變，孔間可能出現多個局部接頂區域(圖9b)，當接頂區域不斷增加并相互搭接達到一定規模時，成功截流成為可能。從局部接頂位置(圖9c)頂部形態來看，鋼制格柵為骨料的滯留提供“庇護所”，相當于增加了流場邊界層的范圍，這部分區域流速總體變緩有利于骨料的淤積。

圖8 光滑型巷道殘余過水通道空間形態

圖9 粗糙型巷道殘余過水通道空間形態

3.3.2 氣體掏蝕現象

現場灌注過程中，骨料和水流中不可避免會摻雜大量空氣，形成氣–固–液三相流順鉆孔進入巷道內部，當氣體不能及時從排氣孔中排出時，會在巷道中聚集成團，甚至連成一片。在水平巷道中，這種氣體團聚效應會壓縮頂部流場，相當于巷道頂板發生變形下沉，導致流場劇烈擾動，局部空氣聚集會使殘余通道呈凹形下陷，明顯降低堆積高度(圖10a、圖10b)，空氣大規模成片聚集，會使巷內下游堆積體被壓縮后的流場整體掏蝕，形成大量無效堆積區域(圖10c)。對于傾斜巷道，空氣會向高程相對較高的區域聚集，雖然對骨料的堆積形態影響可以忽略不計，但如果沒有逸出通道，同樣也會不斷聚集并增加灌注區域內的壓力，導致下料不順暢，因此，骨料灌注期間發生頻繁沖孔時，應及時排氣或設置排氣鉆孔，將氣體排出，減少無效灌注工作量。試驗表明，對于水平巷道，排氣孔設置在下游有利于氣體排出，對于灌注段有坡度的情況，排氣孔設置在高程相對較高的區域更有利于氣體排出，試驗期間空氣對灌注的干擾作用與現場經驗相符。

圖10 空氣進入后對流場及堆積形態的影響

3.3.3 孔底及孔內堵孔現象

灌注過程中堵孔現象時有發生，堵孔分為4類，一類是水固比過低導致砂粒間由于液橋力發生聚團，形成堵孔(圖11a)；二類是下料管道過長、垂直度偏低導致水流阻力過大，骨料流動不暢形成堵孔；三類是骨料粒徑過粗導致孔底骨料運移不暢，形成堵孔(圖11b)；四類是巷道內氣體沒有及時排除，導致孔內氣壓升高發生頂孔。減少堵孔的方法包括提高水固比、增加下料管直徑和垂直度、選用合適粒徑骨料、控制下料速度及設置必要的排氣鉆孔等。

3.3.4 清艙時的水動力學現象

如圖12所示，在試驗結束清倉時，下游放水壓力為零，瞬間增大了堆積段兩端壓差，水流加速，顆粒被瞬間起動，空氣迅速進入艙內率先掏蝕堆積段下游，之后不斷延伸至上游，形成具有一定水力梯度的沙坡，在此期間，下游為非滿流狀態，這種現象屬于堆積段潰壩的一種類型；另外一種潰壩類型為堆積段接頂后因接頂區自身強度及穩定性不夠，無法承受堆積段上下游的壓力差，水流發生滲流失穩，出現管涌型潰壩，潰壩期間始終處于滿流狀態。不論哪種類型的潰壩現象，最薄弱的區域均在殘余通道內，這部分區域為后期注漿的重要加固區域。

3.3.5 截流期間壓力響應特征

以3.2 m3/h流量的截流試驗為例，根據堆積情況實時匹配各鉆孔的投料粒徑，0～13 min采用射流灌注0.1～0.2 mm粒徑骨料，當骨料堆積高度達到18 cm時，殘余通道高度約2 cm，頂區平均流速達到0.22 m/s，之后陸續采用0.5～1、1～2、2～4 mm進行組合搭配，直至成功出現接頂段。圖13為灌注過程中各監測孔的壓力響應特征，0～45 min為鋪底和充填階段，該階段頂部未充填的空間足夠大，對水流產生的阻力較小，因此，傳感器水頭變化總體穩定在正負零附近；45～75 min，隨著骨料灌注進入接頂階段后，殘余通道被進一步壓縮，水流速度增加，巷壁及骨料對水流的阻力開始顯現出來，巷道內水位開始逐漸升高，變化量約0.5 m；75～100 min，結合接頂形勢進一步調整各鉆孔骨料灌注配比，使殘余通道進一步壓縮，巷道內壓力明顯上升，表明灌注過程已全面進入最后的截流階段，此時需反復調整骨料配比，保持灌注強度持續灌注直至截流成功。

4 試驗平臺的可靠性分析

4.1 解析法驗證

表2統計了15個工況下單孔灌注試驗的殘余通道高度i、骨料灌注速度i、初始流量及殘余通道平均流速d。起動流速依據文獻[20]關于不同粒徑砂在水平明渠起動流速的解析公式進行計算，表2數據表明，殘余通道內平均流速總體上略大于對應粒徑的起動流速解析值。在下山8°條件下，d與的上限最接近，水平巷道中次之，上山巷道中偏離最大。試驗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異，且骨料起動概率遠大于強動狀態下的50%以上，因此，試驗結果符合泥沙動力學的一般規律。

筆者[21]通過解析模型求解了骨料顆粒起動速度與坡度的關系，得出在下山8°、水平、上山8°巷道中相對起動流速分別為0.89、1、1.09，即上山和下山中的比值約為1.22，最大相差約20%，從表1也可以得出類似規律，各級骨料(2～4、1～2、0.5～1、0.2～0.4、0.1～0.2 mm)在上山和下山中，頂部未接頂空間流速比值分別為：1.27、1.27、1.26、1.13、1.52，均值1.29，略大于前述理論分析值1.22，這也說明了本試驗能與解析模型較好地吻合。

4.2 數值法驗證

牟林等[14]基于CFD-DEM耦合算法，對骨料灌注過程進行了數值模擬計算，先由Fluent將某一時間點的流場計算收斂，將流場信息轉化為DEM中作用在顆粒上的流體曳力，DEM計算每個顆粒所受的外力(曳力、重力及碰撞力等)，并由此更新顆粒位置、速度等信息，最后以動量匯形式加到CFD中實現雙向耦合。

模擬時按照從細到粗依次投料，至接頂階段結合真實條件采用組合投料，模擬結果與試驗平臺所發現的現象一致，如高流速(圖14a)條件下堆積長度的軸向生長效應、孔間堆積體的接龍效應、骨料灌注量在下游的疊加效應、接頂區的逆向生長效應等典型規律，以及低流速(圖14b)條件下的快速接頂及孔間空腔等現象，驗證了試驗平臺能模擬骨料灌注截流過程的一般規律。數值模擬還發現未接頂區和堆積區分界對應啟動流速上限，堆積體形態由流場與灌注能力的動態平衡決定，當流場的攜帶能力小于灌注能力時，表現為接頂容易；反之接頂困難，這與平臺試驗所顯現的規律一致。

表2 不同工況下殘余通道流速統計

注：畫下橫線數據為射流工況下的結果。

圖14 骨料灌注過程現象的數值模擬

5 動水截流堵水機制分析

如圖15所示，阻水墻在不同的建造階段中水流流態存在明顯區別。骨料灌注目的是通過形成一定長度的堆積段，將灌注期間主流區內的管道流逐漸轉化為骨料接頂期間內的高速滲流，最后通過注漿加固將流態轉換成低速滲流，形成永久性的阻水體。

圖15 各階段流態空間分布特征

骨料鋪底–充填–接頂灌注期間的堆積過程存在向下游生長、孔間疊加、逆向接頂等一般性規律。骨料灌注過程常受現場條件影響，當灌注次序和強度發生改變時，需注重臨場感知和綜合判識，尤其是進入接頂階段后需要反復調配比例和灌注強度，增大有效接頂段出現的概率，使隨機性接頂的過程逐漸轉變為成功截流的必然事件。成功接頂后堆積段將進入滲流狀態，殘余通道中漿液運移阻力小，滲流速度最高，漿液占比最大，下部細骨料漿液運移阻力大，滲流速度低，漿液占比少。如圖16a—圖16d所示，將量筒內預先注滿不同粒徑(0～3、3～10、10～30 mm)骨料，之后加入不同水灰比漿液(4︰1、2︰1、1︰1、0.5︰1)，并觀測其可灌性。水灰比0.5︰1的漿液因黏度過高，不借助灌漿壓力無法在任何一種骨料中自由下滲，0～3 mm骨料由于空隙太小，也無法使任意一種漿液向下自由下滲。水灰比1︰1、2︰1、4︰1的漿液與3～10、10～30 mm的骨料搭配后，均能實現漿液向下自由滲流。但由于水泥絕對含量受水灰比約束，水灰比1︰1的漿液形成的結石體含量最高，能達到較好的封堵效果；隨著水灰比的降低，析出水的體積變大，結石效果變差。本試驗說明了漿液配比和骨料粒徑對注漿效果的影響巨大，同時也證明漿液在巷道高度方向存在空間分帶性。圖16e進一步模擬水灰比2︰1、4 m水壓差條件下通過不同粒徑骨料時漿液的分帶性，發現下部細骨料漿液含量遠小于上部粗顆粒，表明堆積體中漿液的運移規律區別于相對均質的巖土體，表現為前期低壓階段以頂部殘余空間的充填為主，后期漿液在高壓作用下發生垂向滲透，進漿量減少，注漿難度增加。

圖16 水泥漿液在骨料中的滲透現象

6 結論

a.考慮實際工況設計了骨料灌注截流可視化模擬試驗平臺，平臺的基本組成包括巷道模擬系統、動水循環系統、骨料灌注系統、數據采集系統、圖像采集系統。

b.堆積體具有向下游生長的特性，堆積體迎水面和背水面坡腳大小存在差異化的規律。低流速條件下骨料會快速接頂、高流速條件下孔間存在相互接龍并在下游相互疊加、逆向接頂的基本規律。

c. 平滑型巷道中存在殘余過水通道的U型分布特征、粗糙型巷道中的擾流接頂效應、空氣的掏蝕效應、堵孔效應、潰壩沖刷效應，證實了實際骨料灌注堆積過程的復雜性。

d.結合解析法得出同種顆粒在下山8°、水平、上山8°巷道中相對起動流速分別為0.89、1、1.09，采用數值方法模擬了骨料的運移規律，兩種方法均與試驗平臺所取得的數據或規律一致，表明試驗平臺能滿足動水截流試驗的技術要求。

e.注漿加固階段漿液配比及骨料粒徑對注漿效果存在重要影響，漿液在堆積體中存在“上多下少”的空間分帶性。

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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

國家重點研發計劃課題(2017YFC0804106)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2019XAYMS22)

牟林，1985年生，男，湖北松滋人，博士，副研究員，從事煤礦水害防治研究工作. E-mail：258323938@qq.com

牟林. 突水礦井動水巷道骨料灌注截流可視化平臺研制與試驗研究[J]. 煤田地質與勘探，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

(責任編輯 周建軍)