李文洲：深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

多年来矿井破碎煤岩体注浆试验,一定程度上解决了破碎煤岩体加固及锚杆锚索锚固力不足的问题,针对浅部矿井形成了较为完整的煤岩体加固的支护方式、注浆材料及相关工艺等,但浅部煤岩体注浆多为浅孔低压模式。面对深部矿井地应力水平高、煤岩体裂隙开度较小、围岩大变形造成锚杆锚索失效等新问题,采用常规的锚杆锚索支护配合低压浅孔注浆,无法达到预期的围岩控制效果。

为此，中煤科工开采研究院有限公司李文洲副研究员在《煤炭学报》2021年第3期“深部岩体力学与开采理论”专题撰文“深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究”，为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请李文洲副研究员通过视频对相关成果进行了详解。

视频讲解

以下视频来源于

煤炭学报

19:52

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创新点

(1) 对不同埋深煤岩体地应力赋存特征及裂隙特征进行了分析，得到地应力随深度的变化规律，通过拟合得到了不同埋深裂隙煤岩体的摩尔强度包络线，为裂隙煤岩体的改性强化提供了基础。

(2) 采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平煤岩体裂隙变形特征，根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系，探讨了影响裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素，从煤岩体裂隙的角度揭示了煤岩体高压劈裂注浆的改性机理。

(3) 建立了煤岩体裂隙悬臂梁模型，基于Griffith裂纹扩展准则，对裂隙扩展临界载荷和裂隙角度间的关系进行了分析，得到了煤岩体不同倾角裂隙临界载荷随倾角的变化趋势。

(4)通过不同埋深煤岩体破裂强度统计分析，结合煤岩体改性强化工艺及装备要求，提出了深部裂隙煤岩体改性强化基本原则及临界值范围25~30MPa。通过千米深井巷道现场试验得出改性强化的全程压力曲线，采用现场取样表征分析、实验室电镜扫描及纳米压痕试验对改性强化效果及界面弹模效应进行了分析，验证了深部高应力裂隙煤岩体改性强化效果。

作者简介

李文洲，男，1981年7月2日生，博士，副研究员，中煤科工开采研究院有限公司巷道所副所长。中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会理事，主持、参与完成科研项目60余项，发表论文30余篇，SCI/EI检索13篇，获省部级科技奖10余项,授权发明专利7项，实用新型10余项，计算机软件著作权1项。参编国家及行业标准3项，参编专著1本。荣获全国煤矿支护优秀专家、全国煤矿支护先进个人等称号。

研究方向

矿山压力及控制，煤矿巷道支护与注浆综合加固理论及技术

主要成果

一直从事地应力测试、锚杆支护、水力压裂、破碎煤岩体注浆加固及注浆材料的研发和推广工作，致力于煤矿高效安全的煤岩体综合加固理论及成套技术的研究，先后完成了多项水、瓦斯、自燃发火、有害气体、软岩及构造等地质灾害影响下煤矿巷道、工作面、井筒及煤仓等煤岩体的综合处理难题，获得多项专利，提出了煤岩体高压劈裂注浆加固方法及成套工艺设备，完成了我国首台煤矿高压注浆泵成套装备的研发及应用，开发了巷道水力压裂裂缝扩展实时监测装置等，取得了多项创新性成果。参与研发和完善了地面中深孔地应力测试装备及工艺，先后完成了包括川藏线、城市地下空间资源调查等近百个点的测试工作，为非煤领域安全高效生产提供了有力的技术保障。

摘      要

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500m左右和1000m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。

采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。

基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。

基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30MPa,一般为15~20MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20μm浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。

部分图片

地应力随深度变化曲线

不同应力比值曲线

不同埋深煤岩体摩尔强度包络线

深部煤岩体裂隙典型特征

不同倾角裂隙数值模型

不同倾角裂隙煤岩体最大主应力

不同裂隙倾角裂隙周围状态

不同应力状态相同裂隙倾角垂直应力曲线

裂隙周边应力分布及状态

改性前后裂隙长度垂直应力曲线

裂隙周边应力分布及状态

改性前后裂隙长度垂直应力曲线

裂隙周边应力分布及状态

裂隙煤岩体改性前后垂直应力曲线

裂隙理论模型

裂隙悬臂梁模型及受力示意

裂隙临界载荷随角度变化趋势

不同埋深煤岩体地应力测试压力曲线

试验点布置

裂隙煤岩体改性强化全程压力曲线

现场取样及微观特征

微观尺度浆液固结效果及界面效应

注浆试样纳米压痕实验及弹性模量变化曲线

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来源：

李文洲,康红普,姜志云,等. 深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究[J]. 煤炭学报,2021,46(3):912-923.

LI Wenzhou,KANG Hongpu,JIANG Zhiyun,et al. Deformation failure mechanism of fractured deep coal-rock mass and high-pressure grouting modification strengthening testing[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(3):912-923.