地下工程破碎岩体胶结界面特征及注浆加固机理研究

工程岩体的稳定性受结构面性质的影响十分显著，结构面发育程度、展布情况、裂隙组的组合特征以及工程性质对岩体的力学性能起到决定性的作用。由结构面诱发的渗漏水问题严重影响了地下工程建设施工与运营安全，使国民经济蒙受巨大的人员财产损失。因此破碎岩体加固机理研究成为我国地下工程建设中亟待解决的关键科学问题。本文本项目采用理论分析、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。分析了结构面剪切破坏机制以及粘结力与摩擦力的耦合效应。对结构面粗糙度各向异性及其表征方法进行分析。提出了摩擦力主控区域与粘结力主控区域划分思想。建立了单一界面注浆加固体的抗剪强度计算公式，为岩体注浆加固效果提供评判依据。采用与传统水泥材料对比试验的方法，分析了注浆材料结石体体积和浆液黏度变化机理，确定了材料组分、水灰比、温度等因素对结石体体积稳定性和浆液黏度的影响规律。开展了注浆材料结石体耐久性评价。通过深入分析氯离子和硫酸根离子对材料结石体的作用机理，将侵蚀类型进行了划分，确定了注浆材料组分与浆液制备条件对结石体抗侵蚀性能的影响。采用自主设计的室内注浆模拟试验平台，开展了富水破碎岩体注浆加固模拟试验，从微观角度揭示了注浆加固作用机理。基于离散元颗粒流程序PFC，建立了结构面抗剪强度数值模型。分别对结构面无粘接强度以及有粘结强度时的剪切特性及破坏模式进行计算分析，并从微观角度对结构面裂纹扩展过程以及结构面粘结力与摩擦力的耦合效应进行分析，从而揭示粘结力对结构面剪切特性的影响规律以及注浆加固机理。最终提出破碎岩体注浆加固的关键技术并应用于工程实践，从而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。 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。

本书在岩体注浆基础理论、模拟、设计及其分析方法等方面开展了相应研究工作。全书主要内容如下：绪论、注浆技术概论、注浆理论研究与设计方法综述、岩体注浆理论研究、岩体注浆计算机模拟研究、岩体注浆可靠性研究、岩体注浆分析的人工智能方法、结语等。

本书是作者近年来在该领域的研究成果总结，可供土木、水利、矿山、煤炭、人防、交通等系统的广大科技工作者及相关专业的高校师生、研究生参考。

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。