煤炭在我国能源结构中占有重要地位,是我国经济发展的支柱产业。到2020年末,我国煤炭消耗量总量控制在42亿吨左右,约占能源比重的62%左右。作为一次性能源其地位不会发生改变,未来相当长的一段时间内还是以煤炭为主。随着煤炭资源的大量采出,浅埋深煤层已趋于殆尽。煤炭企业不得不向深部开采,开采深度正以每年8～12m的速度增加。深部开采面临高地应力的影响。同时,受采动影响,巷道煤岩体容易发生破坏,严重影响煤矿安全生产。因此,深部破碎煤岩体注浆加固是目前煤矿深部开采亟需解决的关键科学问题。对于我国煤矿高产高效发展、安全生产具有重要意义。本文针对深部破碎煤岩体的破坏特征以及注浆工艺、注浆材料等存在的不足。结合工程实践,利用传统的超细硫铝酸盐水泥熟料和石灰与石膏混合料作为原料,研发了一种适用于深部破碎煤岩体注浆加固的新型双液无机注浆材料。大大的降低了材料成本,提高了注浆工程的经济性。通过室内系统的材料性能试验和破碎煤岩体注浆加固模拟,分析了新型注浆材料的可操作性。从微观角度揭示了破碎煤岩体注浆加固作用机理,并针对煤岩体破坏特征研发了新型注浆工艺。研究了破碎煤岩体注浆加固效果评价方法与指标,并开展了工程应用试验,取得了一系列研究成果。1、综合裂隙分布特征与应力集中特性,将巷道煤岩体破坏划分为四个区:(1)完全破碎区,具有很高水平的渗透性。该区域注浆以充填为主,注浆量较大。同时,该区域由于锚杆孔的存在,对于开放煤体注浆影响较大,使增大注浆压力提高注浆固结深度的作用弱化,必然导致漏浆严重。该区域应以凝结速度快、粘度较大的注浆材料、低压、低流量进行注浆。(2)破碎降低区,该区域渗透通道主要为大裂隙渗透为主。由于裂隙发育较破碎区降低,以渗透注浆为主。该区域是注浆的重点,材料以高渗透性、低粘度为主。配合中、高注浆工艺。(3)破碎压缩区,该区域受集中应力的影响,裂隙被挤压,微观裂隙开度小,裂隙连通性差。该区域应以劈裂注浆为主,配合低粘度、高渗透性的材料,配合高压注浆。(4)类原岩区,该区域与原岩相差不大,以原生裂隙为主。应以劈裂注浆为主。采用高渗透性、低粘度注浆材料,配合高压进行注浆。2、基于水泥基材料复合注浆技术。采用正交试验法确定了新型注浆材料优选配比组成。其中A料:单液硫铝酸盐水泥熟料100份、减水剂1%、增稠剂0.9%、缓凝剂0.6%。B料:单液石膏87.5份、石灰12.5份、减水剂1.5%、增稠剂0.6%、缓凝剂0.9%、速凝剂一(2%)、速凝剂二(0.2%)、速凝剂三(6.0%)。3、通过自主设计试验系统,确定了新型材料注浆加固浆液最佳凝结时间为2min。浆液扩散半径为2m。通过扫描电镜微观分析,得出新型注浆材料水化产物在浆液与煤界面过渡区含量越多,结晶程度越高,对于增强注浆加固效果具有积极作用。新型注浆加固材料浆液与煤界面胶结类型属于Zimbelinan模型。4、针对破碎煤岩体注浆加固控制机理以及加固特征,提出了破碎煤岩体注浆加固效果检测方法以及指标。浆液填充率法(注浆率要保证90%以上)、力学参数法(注浆后其抗压强度应达到未受影响地层抗压强度的80%以上、抗折强度应达到未受影响地层抗折强度的75%以上、孔隙率应低于10%)、分段注水法(钻孔漏失量应低于20L/5min)、取芯检查法(取芯率大于90%)。并针对注浆加固系统,提出了分系统、注浆整个系统、不同单元可靠度计算公式。5、进行了新型无机注浆材料现场应用试验,验证了新型无机注浆材料的优越性和适应性。研究成果在采动破碎煤岩体注浆加固、叠加应力破碎煤岩体注浆加固、动压影响破碎煤岩体注浆加固中进行了应用。取得了非常好的效果,产生了显著的经济与社会效益,具有非常广阔的工程应用前景。同时,该材料与技术应用的资源整合矿井残采区域空巷充填复采技术研究和资源整合矿井残采区域煤岩体变形破坏规律及安全回采技术研究,分别获得了 2016年度和2017年度中国煤炭工业协会科学技术奖二等奖,为该技术的进一步推广提供了支持。