松散煤体分布着大量的毫米-微米-纳米多尺度裂隙和孔隙。煤矿常用的水泥浆不能实现对微孔隙封闭固结,浆材渗透极少,松散煤体可改造性困难。纳米材料注浆改性是解决这一问题的有效方法。注入期的渗透规律和注入后的长期固结稳定性是松散煤体改性的关键问题之一。本文综合采用了文献综述、实验室测试分析、理论分析等研究方法,结合典型松散煤层工程地质调查、原位水泥浆注浆试验对比,表征分析了原煤的孔裂隙结构和硅溶胶注浆相关基本特性,研制了注浆渗透多参数精细实时监测平台,探索了松散煤样试件压制处理方法,揭示了硅溶胶在松散煤体中注浆渗透规律及基本力学机制,研究了硅溶胶凝胶体变形和强度参数长期演化规律,得到了硅溶胶凝胶体力学行为的时变机制,评估了硅溶胶胶煤体的长期固结稳定性。主要结论如下:(1)淮北矿区8煤是典型松散煤体,原煤块度<2 mm的煤粉将近75%,粉化现象严重。原煤总孔隙率随地压呈一阶衰减指数函数关系。渗透率k=6.76 mD,孔隙孔径分布呈“两头多,中间少”规律,属于低渗介质。与其他常用浆材对比,硅溶胶的可注性最好。添加催化剂后,硅溶胶发生缩聚反应,前期胶凝对浆材的可注性和流动性影响较小;后期胶凝使浆材的可注性和流动性发生恶化;浆材可注性的恶化拐点时间早于其流动性恶化拐点时间,现场应该在浆材稠化之前,提前完成注浆作业。粘度时变曲线均较好地与复合函数吻合。催化剂用量与胶凝时间很好地服从指数负相关关系。硅溶胶、催化剂与原煤的静态接触角均小于90°,硅溶胶、催化剂与原煤的亲和力低于水与原煤的亲和力,吸渗潜能比较显著,但现场饱和孔隙水环境将阻碍吸渗作用。(2)研制的注浆渗透多参数精细实时监测平台包括泵储系统、注浆平台、监测系统,可以实时在线采集注浆过程中泵压、进液密度、出液密度、出液电阻以及不同位置流体压力等参数。硅溶胶在松散煤体注浆渗透力学机制主要存在“驱替流-达西流-渗滤流”三阶段基本特征。煤样块度对达西流阶段、渗滤流阶段泵压时变曲线有显著的影响。块度越大,注浆达西流时长越短,胶体滞留堵塞效应越显著;存在小块度(<2 mm)的煤样,注浆达西流阶段时长近似相等。压制荷载低于20 MPa的试验均明显表现为“驱替流-达西流-渗滤流”三阶段特征,达西流阶段时长均占整个注浆过程比例最大,且达西流稳压随压制荷载增加而增加;压制荷载20 MPa的试验渗流机制呈现以渗滤流为主。流量增大会造成注浆渗透机制向渗滤流转变,注浆压力快速上升,注浆时间缩减。所以对于高地压低渗透煤体,可以采用缓慢注入的方式,降低渗滤作用的显现烈度,以延长浆材渗透半径。(3)在500天养护期间,硅溶胶凝胶体质量、体积、直径、高度时变曲线均可分为收缩期、稳定期、再缩期三阶段。本构关系表现为弹塑性,其变形特性分为压密、弹性、塑性、峰后四阶段。压缩强度、割线模量、超声波波速均可划分成上升期、下降期和回升期三阶段。塑性强度时变曲线符合异速生长律。养护环境对硅溶胶凝胶体力学行为的影响主要体现在自由水和物理吸附水上。对存在大块度(5-10 mm)的煤样进行注浆时,不能有效保证硅溶胶胶煤体强度的长期稳定。对不存在大块度(5-10 mm)的煤样进行注浆时,养护200天是硅溶胶胶煤体强度稳定时间起始点。对存在小块度(<2 mm)的煤样注浆时,可以保证硅溶胶胶煤体刚度的长期稳定。上述研究成果可为富水或高湿井巷施工、围岩稳定、安全控制等工程防渗和围岩加固提供理论依据。