武汉岩土所深部煤系地层水泥基注浆材料及加固机理研究取得进展

    深部围岩地质环境复杂，岩体软弱破碎，在强采动作用下，极易发生失稳、冒顶等大变形灾害。注浆加固是控制破碎煤岩体巷道稳定性的主要技术手段之一，能快速有效提高围岩完整性、恢复岩体整体强度。目前，注浆理论相比注浆材料及设备的发展明显滞后，亟需开展深部破碎煤岩体注浆控制机理及方法研究。

    为此，中国科学院武汉岩土力学研究所地下工程研究团队自主研发了深部煤系地层水泥基注浆材料(HGC)，材料的主要组成矿物成分包括普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰以及减水剂等添加剂。通过开展宏观破碎煤岩注浆加固体单轴压缩、注浆节理岩体直剪试验与微观浆-煤界面纳米压痕与电镜扫描试验，研究揭示了煤岩体注浆加固微观机理，发现了不同注浆材料浆-岩界面显著差异。由此提出了浆-煤界面过渡区宽度和强度定量表征方法，并建立了相应的数值分析模型。结果表明：不同注浆材料注浆加固体强度特性存在较大差异，HGC浆液加固体峰值强度最大为17.65MPa，相比传统OPC和SAC注浆材料分别增加了54.42%、35.25%。此外，HGC浆液显著减小了浆-岩界面过渡区（ITZ）宽度并提升了ITZ的平均压痕模量。数值模拟结果表明，随着煤粒径的增加，试样峰值强度和声发射b值均呈现降低趋势，试样的破坏区域逐渐由ITZ演化到煤块内部。因此，不同注浆材料在微观上表现为ITZ宽度和强度的不同，并通过膨胀粘结、充填压密和界面胶结效应使得胶结体在宏观上表现为加固体力学特征的差异。

    研究成果发表于土木工程领域TOP期刊《Construction and Building Materials》和《岩石力学与工程学报》，得到了国家自然科学基金区域联合重点基金(U22A20234)和湖北省重点研发计划项目(2023BCB121)资助

    论文1：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061824004690

    论文2：http://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/abstract/abstract43211.shtml

图1 破碎煤岩注浆加固体单轴压缩强度

图2. 不同浆-煤界面SEM试验结果

图3. ITZ性质确定方法及演化规律

图4. 注浆加固机理示意图