深部裂隙岩体注浆扩散胶结加固机理及数值仿真方法

This research mainly focuses on two essential issues, including grouting diffusion and reinforcement mechanism, and the numerical simulation method for the fractured rock mass in deep strata. Based on the monitoring results of deep coalmine tunnels, the evolution characteristics of fissures in surrounding rock due to excavation is to be revealed. Fracture grouting seepage test would be carried out, and grouting diffusion mechanism of deep fractured rock mass would be studied considering pressure loss and the interaction of multiphase flow induced by slurry, water/gas. The slurry flow equation and the cross fissure diversion equation would be established. Then, fissure cementation shearing test would be carried out to reveal slurry cementing mechanism considering the crack roughness and the effect of water-cement ratio. On this basis, the slurry diffusion and cement reinforcement algorithm of fractured rock mass are proposed, and the discrete element program is developed to realize the numerical simulation of grouting diffusion and reinforcement process. Finally, the above research results would be integrated, and the numerical simulation is to be applied to case study of deep roadway in coal mine. This research would provide scientific theory support for the stability control technology of deep roadway and promote the development of basic theory of related disciplines.

本项目围绕深部裂隙岩体“注浆扩散加固机理”和“数值仿真方法”两个关键科学问题开展研究。对典型煤矿深部巷道进行调查探测，揭示深部围岩开挖卸荷条件下裂隙场演化发展特征；结合岩石裂隙注浆渗流试验，考虑浆液、水/气多相流作用和浆液流通沿程压力损耗，建立裂隙注浆基本流通方程和交叉裂隙分流方程，从而研究裂隙岩体注浆扩散运移机制；通过开展裂隙胶结直剪试验，考虑裂隙粗糙界面效应和浆液配比影响，揭示裂隙注浆胶结机制，建立裂隙岩体粘结修复力学模型。在此基础上提出裂隙岩体注浆扩散和胶结加固算法，并进行离散单元程序二次开发，从而研究裂隙岩体注浆扩散胶结加固数值仿真方法。最后集成以上研究成果，选择典型煤矿深部巷道案例，进行注浆加固数值模拟和程序验证，并提出方案优化方法。本项目研究成果将为煤矿深部巷道围岩稳定控制技术提供理论支撑，并促进相关学科基础理论发展。

近年来，我国矿井支护困难的巷道比例骤增，巷道内围岩高应力与低强度之间的矛盾十分突出，极易发生失稳破坏，严重影响巷道掘进和施工安全，并大幅增加巷修成本。围岩稳定控制理论与技术已成为矿井开采亟需解决的重要课题。大量工程实践表明，岩体工程的失稳破坏与其内部节理、裂隙等的扩展和贯通有关。注浆是当前修复裂隙岩体，提高围岩强度的重要手段之一。将注浆材料采用一定配比制成浆液，通过注浆设备注入岩体的裂隙中，待浆液固化从而达到充填、胶结、加固以及堵水目的。目前，裂隙岩体注浆理论和注浆现场实践发展存在两个突出难题：(1) 裂隙岩体注浆理论远远落后于注浆实践的发展，浆液在岩体裂隙网络中的扩散流动机制尚处于摸索阶段，实际注浆工程现场浆液配比、注浆孔布设以及注浆扩散距离等还过于依赖经验；(2) 岩体注浆理论的发展落后于土体注浆理论，裂隙是一种导水性很强的网络结构，且岩体强度高于土体，借鉴土体注浆理论得到的结论必然存在一定局限性。围绕 “裂隙岩体注浆扩散迁移和胶结加固” 这一关键科学问题，采用理论分析、模拟试验与数值模拟结合的方法开展研究。通过流体扩散理论，推导了考虑裂隙开度、粗糙度等因素的单一平直裂隙注浆流动控制方程；考虑岩体裂隙中存在的裂隙水/气对注浆效果的影响，建立了压力梯度作用下浆液–水/气驱替控制方程，揭示了两相流作用下的浆液扩散迁移机制。通过自主研发的岩体裂隙注浆模拟设备，研究了浆液在随机裂隙网络中的流动规律及影响因素。提出了考虑气体赋存时的岩体裂隙注浆胶结加固剪切本构模型，揭示了注浆胶结加固机理，并开展了岩体裂隙注浆后抗拉试验及考虑气体赋存时的剪切试验，对所提本构模型进行了试验验证。进一步进行了裂隙岩体扩散迁移数值仿真模拟研究，集成以上研究成果，选择典型煤矿巷道案例，进行注浆扩散迁移及胶结加固数值模拟并评价注浆效果，对工程实践进行指导与参考。