高应力环境下泥岩注浆加固机理及数值仿真研究

本项目以淮南矿区煤矿深部巷道围岩注浆加固工程为背景，通过理论分析、室内试验和现场监测，对煤矿深井泥岩巷道注浆扩散模型以及注浆固结体的力学特性进行了分析研究，在此基础上对摩尔-库伦本构模型进行修正，开发了适合进行注浆加固评价的数值仿真分析方法。 (1)煤矿深部高应力环境下浆液扩散受应力水平和结构面的分布影响较大，在单一裂隙扩散模型基础上，结合结构面渗流-应力耦合特性建立的渗流-应力耦合注浆扩散模型能够较好的反映煤矿深部高应力环境下的注浆扩散规律，是注浆加固扩散模型的一种新的尝试。 (2)注浆固结体主要包括两种胶结模式：包裹模式和搭接模式。注浆固结体的力学特性与其胶结模式之间存在密切联系。孔隙率对注浆固结体的强度和变形特性有重要影响。随着孔隙率的增加，注浆固结体的弹性模量逐渐增大，单轴抗压强度也呈增大趋势；相同围压下，随着孔隙率的增加，注浆固结体峰值应力逐渐增加。注浆固结体的粘聚力随着孔隙率的增大呈增长趋势，符合对数函数关系；而内摩擦角随孔隙率增大而减小。 (3)以摩尔-库伦模型为基础，通过模量修正和强度修正，建立了适合注浆固结体的修正的摩尔-库伦本构模型，并通过FLAC3D自定义本构模型功能，建立了煤矿深部巷道注浆加固数值仿真分析方法。该方法能很好反映煤矿深部巷道注浆加固过程中的应力和位移变化特征，可为煤矿深部巷道注浆加固设计和施工提供分析评价方法。 2100433B

注浆加固是确保煤矿深部巷道掘进安全和稳定控制的关键技术。泥岩是煤矿深部巷道中常见的围岩类型，其物理力学性质特殊，在深部高应力环境下，注浆加固机理变得极为复杂。开展深部高应力环境下泥岩注浆加固机理及数值仿真研究是保障煤矿安全高效生产的关键课题。本项研究以淮南矿区为依托，通过室内渗透试验和现场注浆试验，对泥岩渗透特性和浆液扩散规律进行研究；通过室内三轴试验和扫描电镜，对注浆固结体的微结构和力学特性进行研究；综合试验研究结果，应用岩石力学、渗流力学、非连续介质力学和统计理论，建立泥岩注浆加固浆液渗流-应力耦合扩散模型和固结体本构方程，揭示高应力环境下泥岩注浆加固机理；最后，以数值分析软件FLAC3D为平台，通过二次开发，建立数值仿真分析方法，对高应力环境下泥岩巷道注浆加固效果进行分析评价。研究成果将为我国煤矿深部泥岩巷道和其他高应力软岩区大型工程注浆加固的设计和施工提供理论指导。

《高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究》共分7章，主要讲述了泥岩随温度升高和加载速率增加的力学性能变化规律；给出了高温作用下泥岩试样的组分与物相变化，揭示了高温作用下泥岩宏观破裂特征的微观机制；针对所测泥岩岩样的力学特性，给出了相应的损伤本构模型。全书结构紧凑，内容合理。《高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究》可供矿山生产、设计、科研单位的有关技术人员和相关院校师生参考使用。

1 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与方法

2 高温作用下泥岩力学特性的实验研究

2．1 实验条件及方法

2．2 高温作用下泥岩的变形特征

2．3 高温作用下泥岩的强度特性

2．4 高温作用下泥岩的热膨胀效应

2．5 高温作用下泥岩的脆延转化

2．6 本章小结

3 加载速率对高温作用下泥岩力学性能的影响

3．1 试验方法与方案

3．2 不同加载速率下泥岩的变形特征

3．3 不同加载速率下泥岩的强度特性

3．4 不同加载速率下泥岩的脆延转化特性

3．5 本章小结

4 高温作用下泥岩的微观损伤机制分析

4．1 温度作用下泥岩的组分结构变化特征

4．2 温度作用下泥岩试样断口形貌的微观特征分析

4．3 加载速率对泥岩断口形貌微观特征的影响

4．4 本章小结

5 高温作用下泥岩的损伤演化及本构方程

5．1 损伤力学基础

5．2 岩石的损伤力学模型

5．3 岩石破坏的统计强度理论

5．4 泥岩的损伤演化方程

5．5 泥岩的损伤本构方程

5．6 泥岩损伤本构方程参数的确定

5．7 损伤本构方程验证

5．8 本章小结

6 高温作用下泥岩的蠕变特性

6．1 岩石的流变特性

6．2 高温作用下泥岩蠕变特性的试验测定

6．3 高温作用下泥岩蠕变方程

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献2100433B

破碎岩体注浆加固机理是地下工程灾害控制的重要理论难题。本项目拟采用理论分析、室内试验、模拟试验、数值仿真与现场试验相结合的方法开展研究。采用室内试验与微观测试方法，研究破碎岩体注浆前后岩-岩、岩-浆胶结界面特征，获得考虑充填介质类型的破碎岩体胶结模式。开展不同注浆材料与注浆参数的破碎岩体注浆加固模拟试验，揭示被注岩体胶结强化的微观力学机制及宏观力学参数变化规律。基于破碎岩体注浆加固前后力学性能变化规律，研究注浆加固对破碎岩体的强化机制，建立注浆因素与破碎岩体力学指标改善的定量关系。运用理论分析与数值模拟方法，建立考虑注浆因素的破碎岩体加固力学模型，分析开挖扰动下地下工程围岩失稳破坏的注浆抑制机制，揭示破碎岩体注浆加固机理，提出破碎岩体注浆加固的关键技术并应用于工程实践，保障地下工程建设与运营安全，具有重大的理论与实践意义。