跨尺度复合浆材改性松散煤体的渗流及固结机理研究

The single scale granular cement slurry cannot effectively close and reinforce a large number of millimeter - nanometer multi-scale voids and pores in loose coal. A new type of micro and Nano multi-scale composite grout combining superfine cement, micron gangue and Nano micron silica sol is proposed according to the Nano microstructure characteristics of loose coal. The rheology, strength, grouting characteristics and affinity of multi-scale composite grout are tested. Based on the seepage mechanics model of “flocculation - retention - migration” coupling mechanism of multi-scale composite grout injection in porous media considering the time and stress factors, the “stress - pore - seepage” evolution mechanism of multi-scale composite grout in loose coal is revealed by COMSOL Multiphysics software. The consolidation strength growth mechanism of multi-scale composite grout and loose coal is clarified based on the analysis of the crystal structure characteristics, the water phase transition and the pore structure characteristics of the cemented coal body. Achievements of this program could provide a theoretical basis for the reinforcement of loose coal with precise grouting of micro nano multi-scale composite grout, which has an important practical significance to guarantee safe and efficient mining of loose coal seams, and also provides a new idea of improving resource utilization and promoting the zero discharge of mine solid waste.

松散煤体中分布着大量的毫米-微米-纳米多尺度空隙和孔隙，单一尺度的水泥浆材不能实现对煤体多尺度空隙和孔隙的分级封闭加固。项目基于松散煤体的纳微观结构特征，提出一种新型复合超细水泥-微米矸石粉-硅溶胶的纳微米跨尺度浆材，精细测试跨尺度复合浆材的流变性能、强度特征、可注性、与煤体的亲和力等注浆特性；建立考虑时间、应力因素的跨尺度复合浆材注入多孔介质中“絮凝-滞留-迁移”多机制耦合渗流力学模型，采用COMSOL Multiphysics软件，揭示跨尺度复合浆材在煤体中的“应力-孔隙-渗流”时空演化机理；通过分析注浆后胶结体的晶体结构特征、水相态转换、孔结构特征，阐明跨尺度复合浆材与松散煤体的固结强度增长机制。研究成果可为微米-纳米跨尺度复合浆材精准注浆加固松散煤体提供理论依据，对保障松散煤层的安全高效开采具有重要的实际意义，并为提高资源利用率、矿山固废零排放提供了新思路。

松散煤层在我国许多矿区广泛存在。松散煤层巷道采用现有的锚杆锚索组合支护、架锚注联合支护等常规支护，支护效果差，维护工程量大，严重制约了矿井安全高效开采。. 基于松散煤体覆压状态下孔隙度表征测试难题，根据孔隙度与真密度和视密度函数关系，提出了一种适用于松散介质覆压状态下孔隙度表征测试方法。利用该方法测试了淮北矿区典型松散煤体覆压状态下孔隙度，并揭示了压力和粒径对孔隙度影响规律。.松散煤体中分布着大量的毫米-微米-纳米多尺度空隙和孔隙，单一尺度的水泥浆材不能实现对煤体多尺度空隙和孔隙的分级封闭加固。项目基于松散煤体的纳微观结构特征，提出了一种新型跨尺度复合超细水泥-硅溶胶的纳微米跨尺度浆材，精细测试跨尺度复合浆材的流注浆特性。建立了浆液注入多孔煤岩体流固耦合渗流力学模型，采用COMSOL Multiphysics多物理场建模与仿真模拟软件，研究揭示了浆液在多孔介质中的“应力-孔隙-渗流”时空演化扩散机理。. 开展了典型松散煤体型煤强度特征实验，基于胶结体“两介质-三界面”模型，结合试验数据和离散元颗粒流软件，从宏细观角度研究揭示了散煤-浆液胶结规律。通过实验分析了注浆胶结体的晶体结构特征、水相态转换、孔结构特征等固结强度的影响，阐明了跨尺度复合浆材的固结强度增长机制。纳米SiO2颗粒细小，能够起到结晶成核作用，减少了硬化超细水泥浆体中的孔隙，优化了孔隙率和孔径分布，增加了密实性，起到了良好的增强效果。. 研究成果可为微米-纳米跨尺度复合浆材精准注浆加固松散煤体提供理论依据，对保障松散煤层的安全高效开采具有重要的实际意义。