“双高”煤层注浆加固工作面底板“孔隙-裂隙升降型”突水机制研究

Water inrush from grouting reinforced working face floor is a threat to coal mine safety production,especially in high ground stress and high water pressure coal seam mining process,owing to the multi-factor coupling effects,including grouting, mining,structure,rock properties, water abundance and so on. By comprehensive research methods,which contains the laboratory experiment, grouting reinforcement working face floor water bursting test, two-dimensional dry test, mechanics analysis and computer numerical analysis. the features of the grouting reinforcement Representative Elementary Volume(REV) will be studied at the meso-level, and the grouting reinforcement REV strength failure criterion will be constructed, which influenced by the elastic modulus, wave velocity and apparent resistivity. In macro sense, the coupling effect of the pore-fracture rock skeleton structure, slurry and water will be analyzed. The dynamic change law of surrounding rock seepage field, stress field and displacement field in the grouting reinforcement working face floor will be revealed. Water inrush mechanical model will be constructed on the basis of pore-fractured elasticity theory and field measurement, combined with damage mechanics, fracture mechanics and underground pressure theory.The research is helpful to clarify the grouting reinforced working face floor water inrush rule,and is of great significance for mine inrush mechanism improving and development.

高地应力和高水压的“双高”型煤层开采过程中，由于受到注浆、采动、构造、岩体性质和富水性等多因素耦合影响，注浆加固工作面底板突水严重威胁矿井安全生产。本项目采用实验室基础实验、注浆加固工作面底板突水试验、二维干式试验、力学理论分析和计算机数值分析等综合研究方法，细观上研究注浆加固表征单元体（RVE）特征，建立基于弹模、波速、视电阻率等多参量共同响应的注浆加固表征单元体（RVE）强度失效准则；宏观上分析孔隙裂隙岩体骨架结构及浆液、水的耦合作用，建立注浆加固工作面底板“孔隙-裂隙升降型”突水结构力学模型。实验研究揭示注浆加固工作面底板围岩渗流场、应力场、位移场等动态变化规律；阐明“双高”煤层注浆加固工作面底板突水规律。项目成果对于矿井底板突水机理完善具有重要意义。

研究“双高”煤层注浆加固工作面底板“孔隙-裂隙升降型”突水基础理论与防治方法，主要研究内容包括：建立并优化注浆工作面“孔隙-裂隙升降型”突水结构力学优化模型，建立了“双高”煤层底板注浆加固套管与围岩相互作用力学模型，并进行了注浆套管反演岩体变形分析。根据现场双高矿井注浆工程套管布置密度高、长度大的特点，理论推导出套管容许的煤层底板最大的垂向位移公式。研究确定了底板注浆加固套管对底板变形的影响程度和控制机理。此理论研究点从新角度研究注浆加固机制，对防治矿井突水有重要意义。开展了基础实验研究，包括底板注浆加固影响因素试验，超声波检测的岩体裂隙及注浆影响的试验，裂隙岩体损伤的注浆加固效果试验，视电阻率表征注浆加固岩体类型研究和注浆加固岩体强度试验。进行了岩体强度与参量分析，开展了突水相似试验。反复研究过程中，充分运用三轴试验机的加载和密封功能，最终优化完成注浆加固岩体卸围压突水试验。突水模拟实验的关键包括水压的施加与密封等问题，本次突水试验是一个新的尝试，有利于进一步开展相关工作。开展了数值模拟研究，包括流固耦合模拟研究、围岩渗流场和塑性破坏区分析、注浆加固套管变形反演底板岩体变形破坏研究。裂隙是矿井突水的重要通道，开采过程中的岩体裂隙发育扩展与突水紧密相关。应力场变化引起裂隙场演变，渗流场依附于裂隙场。应力场的变化形成塑性破坏区，渗流场耦合其中。套管施加后，注浆加固体强度增大，底板破坏范围减小；底板破坏区域变得不连续。在套管与围岩连接处仍旧是弱面，剪切作用下容易发生局部破坏。套管的抗弯能力对底板岩体变形破坏起到抑制作用，套管施加后，注浆加固后岩体变形垂向位移相对注浆加固前要小。数值计算时理论分析的重要辅助工具，本次实现注浆效果模拟，亦受益于数值模拟软件。套管变形反推岩体变形是从一个新的角度研究注浆加固理论，一个重要补充，同时验证了注浆套管的效果，有利于指导现场工作。