千米深井巷道高压劈裂注浆围岩加固机理与技术研究

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千米深井巷道埋深大,在高地应力与强采动叠加作用下,表现出围岩持续性流变、围岩整体移动、巷道大变形、煤岩软化、裂隙闭合、围岩渗透性差等特征。传统的浅部矿井低应力、弱采动条件下的围岩注浆改性技术无法解决千米深井巷道围岩控制难题。本文以淮南口孜东矿121302运输巷的具体工程地质条件为背景,采用实验室试验、力学理论计算、数值模拟、技术与装备研发、现场试验等相结合的研究手段,对千米深井巷道围岩高压劈裂注浆改性过程中的裂隙扩展特征、浆液渗流规律、注浆改性强化机理等关键理论与技术问题开展了深入的研究,研究成果如下:(1)开展了千米深井巷道围岩应力、围岩强度、裂隙结构以及可注性等现场原位测试,分析了千米深井巷道围岩地质力学特征,查明了高应力低渗透巷道围岩常规注浆方法可注性差的影响因素,研究结果表明:巷道浅部煤岩体裂隙发育,但深部煤岩体裂隙闭合,造成千米深井巷道支护困难,常规注浆工艺条件下浆液渗透扩散范围小,巷道注浆效果差。(2)建立了千米深井巷道高压劈裂注浆裂隙起裂力学模型,推导出不可渗透与可渗透条件下钻孔孔壁的裂隙起裂准则与临界起裂压力;建立了巷道超前高压注浆浆液渗透扩散数值计算模型,分析了围岩渗透系数与注浆压力对浆液渗透扩散范围的影响规律。研究结果发现:高注浆压力能够有效促使千米深井巷道围岩裂隙重新张开与扩展;提高注浆材料渗透性,可以显著改善千米深井高应力低渗透围岩注浆浆液扩散范围与注浆加固效果。(3)开展了真三轴条件下高应力低渗透煤岩体高压劈裂注浆试验,以及高压劈裂注浆加固后煤岩体结构与细观力学行为的电镜扫描与纳米压痕试验,研究发现:不同的地应力状态对高压劈裂注浆起裂压力与裂隙扩展形态有明显影响,高压注浆后的煤岩体裂隙填充更加密实,浆界面区弹性模量要高于煤体。(4)基于理论研究成果,优化了超细速凝注浆改性材料性能参数,研制了配套的高压劈裂注浆设备(最大注浆压力可达40MPa),以及高压劈裂注浆锚杆、高压封孔工艺,提出了高压劈裂间歇注浆技术与控制技术。(5)开展了口孜东煤矿121302运输巷煤岩体高压劈裂改性工业试验,通过现场注浆量数据统计、锚固力测试、注浆效果钻孔探测等,结果表明:围岩平均起裂压力约26MPa,现场测试数据与理论分析吻合;新型的高压劈裂注浆技术能够将浆液注入到千米深井巷道围岩中最小约2mm宽度的裂隙中,围岩变形破坏得到了明显的控制,有效地解决了千米深井低渗巷道围岩“注不进”、“粘不住”的难题。
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