抗风化高固水充填体时效损伤及协调变形控制研究

The filling material with high cost performance, weathering resistance and high adaptability can solve the stability and reliability problem of the major chambers in mine support structure of discarded mine and make the underground space utilized effectively. The project mainly research the deformation characteristics, the deterioration mechanism and the surrounding rock-filling coordinated deformation control on the major chambers in mine of the discarded mine for the new polymer alloying modified weathering resistance and high water keeping filling material. We research the strength and deterioration mechanism of the new weathering resistance and high water keeping filling material with the angle of macro and micro, analysis the material form and strength reciprocal feed mechanism, establish the filling material control index optimal model, bring the new filling material instability boundary condition under the load, deduction damage evolution constitutive equation, analysis the inner connection of macro and micro parameter and the deterioration relationship between combined water, unbound water and filling, structure the filling- surrounding rock system coordinated deformation model, establish filling strength dynamic matching design of the abandoned major chambers in mine on different condition. We can get the control index and the filling instability criterion under the load of the new polymer alloying modified weathering resistance and high water keeping filling material by the research, obtain preferred polymer and inorganic matter, mixture ratio of the new filling material and the design of filling strength dynamic matching, provide the systematic theory and method of the extension and application of the new filling material.

高性价比、抗风化、适应性强的充填材料可有效解决废弃矿井地下空间支护结构的稳定性和可靠性问题。本项目拟研究新型聚合物共混改性抗风化高固水充填材料变形特征和时效损伤机理、地下空间周边充填巷硐围岩-充填体协调变形控制等科学问题。从宏微观角度研究新型抗风化高固水充填材料的蠕变和变形特征，分析材料组成与强度互馈作用机理；建立充填材料控制指标优选模型，提出荷载作用下新型充填材料失稳边界条件；推导时效损伤演化本构方程，分析宏微观参数的内在联系以及结合水、非结合水与充填体劣化关系，构建充填体-围岩系统的协调变形模型，建立废弃巷硐不同条件下充填体强度动态匹配设计原理。通过研究，得到新型聚合物共混改性抗风化高固水充填体控制指标及荷载作用下充填体失稳判据，实现新型充填材料中聚合物和无机物优选及固水充填材料配比，实现充填体强度动态匹配设计，为推广和应用新型充填材料提供系统理论和方法。

本项目基于聚合物共混改性材料研发的思想，研究抗风化高固水充填材料的变形特征和时效损伤、废弃矿井巷硐围岩-充填体协同变形作用机理等科学问题，进一步降低材料成本，从理论上研究高固水材料的形成机理，为探索新型聚合物共混改性抗风化高固水充填材料提供科学依据。.通过四年的研究完成了预定的目标内容，取得了重要研究成果，主要包括：（1）研究出高固水充填材料的基本力学性能，推导了其反应过程及水化硬化机理，提出抗风化高固水充填体力学性能及优选模型；（2）研究了高固水充填材料在不同含水率下的力学特征等，解释了高固水充填材料在不同含水率条件下蠕变曲线的规律，根据不同应力状态下材料的蠕变变形曲线分别建立了相应的理论模型，推导出荷载作用下抗风化高固水充填材料时效损伤机理；（3）结合高固水充填材料试样的宏观破坏特征，从原生孔隙发育、细观结构构成的角度，从宏观、细观两个方面研究了高固水充填材料试样损伤破坏机理。（4）分析巷硐围岩长时变形破坏规律，研究不同宽固化程度的充填体与围岩协调变形控制作用及其时间效应，揭示充填体与围岩协调变形机理建立不同废弃巷硐条件下进行充填体强度动态匹配设计方法，指导优化充填材料配比，控制巷硐变形。.本项目围绕相关成果共发表标注论文12篇，其中 SCI 检索论文8篇，EI 检索论文3篇，其他论文1篇；授权发明专利9项，登记软件著作权 1 项，培养博士/硕士研究生7名，获2019教育部科学技术进步奖二等奖、2019年度中国煤炭工业协会科学技术进步奖二等奖、2019山西省科学技术奖二等奖、2020年度河南省煤协科学技术进步一等奖、2020年度中国煤炭工业协会科学技术进步二等奖。相关科研成果为参与申请并获批国家基金委国际合作项目、主持国家重点研发计划国际合作项目提供了支持。