地下工程建设和采矿过程中,裂隙岩体突水溃砂经常造成重大损失甚至灾难,注浆是防治水砂灾害的关键手段之一。由于地下工程岩体处于温度、应力、渗流等多场耦合作用中,因此,在已有注浆理论和实践基础上,研究渗流场、应力场和温度场耦合作用下裂隙岩体动水注浆浆液扩散机理和规律对于改善注浆工程设计,保障注浆封堵效果是非常必要的。本文以安徽朱仙庄煤矿为地质原型,综合运用室内模型试验和理论分析方法,建立了可视化的裂隙网络岩体注浆试验系统,进行渗流场、应力场和温度场耦合作用下裂隙岩体动水注浆浆液扩散机理和规律研究,分析了动水条件、温度环境和裂隙网络形态对浆液扩散、注浆压力、裂隙渗流压力、温度和注浆堵水效果的影响规律,取得的主要成果如下:(1)建立了安徽朱仙庄煤矿注浆工程的水文地质与工程地质模型。详细分析和论述了朱仙庄煤矿的工程地质及水文地质条件,分析了突水溃砂灾害的主要水源。由于侏罗系第五含水层与第四含水层、“太灰”含水层及“奥灰”含水层均存在水力联系,不利于疏干,因此,采用帷幕注浆进行截流。概化了研究区的水文地质工程地质模型,为注浆工程实施提供了基础地质资料。(2)研究了围压、温度对裂隙岩体渗透特性的影响。以朱仙庄煤矿注浆地层地质环境为基础,选择不同围压(3 MPa、5 MPa和7 MPa)和温度(10℃、20℃、28℃、35℃和50℃)条件,利用GDS高压环境三轴试验仪对现场采集的岩石样品进行渗透试验。结果表明,在同一围压条件下,完整角砾岩样品各温度段的稳定渗流量随温度的升高而增大,在35℃时达到最大,继而出现降低趋势;剪切破坏后的样品各温度段的稳定渗流量均随温度的升高而增大。同一温度条件,完整和剪切角砾岩样品的渗透流量随围压增加均降低。(3)分析了注浆裂隙岩体的渗流场、应力场和温度场特征,推导了渗流场、应力场和温度场耦合作用下裂隙岩体注浆过程中粘时变浆液扩散的数学模型。将整个地下工程作为一个系统,建立了反映渗流场、应力场和温度场耦合作用的网格模型,分析相互作用过程和耦合作用产物;建立了裂隙岩体动水注浆渗流场、应力场和温度场耦合方程。(4)研制了单裂隙、二维交叉裂隙网络和三维正交裂隙网络动水注浆多场耦合试验系统,并研究了化学浆液和水泥浆液不同温度条件下的特性。试验系统主要包括定水头动水、双液注浆泵、粗糙裂隙岩体、数据采集、图像采集、称重及恒温恒湿环境控制等系统和装置。化学浆液和水泥浆液的性质试验结果表明:随草酸浓度升高,以及环境温度增加,化学浆液的初凝时间也逐渐变短;随水灰比的增大,水泥浆液初凝时间变长;但随着温度的增加,同一水灰比浆液的初凝时间先变小后增大,水灰比较高时受温度影响更大。(5)研究获得了动水条件、温度环境、不同浆液性质对单裂隙动水注浆堵水效果和浆液扩散规律。优化了堵水效果评判标准,提出了相对堵水率和相对堵水效果的概念。从堵水率可以看出,在流速较低的情况下,温度越高,注浆封堵效果越好;随着流速的增大,温度条件的优势逐渐降低。当流速相同时,不同温度条件试验中的动水流量出现相似的变化曲线。(6)研究获得了动水条件、温度环境对裂隙网络动水注浆堵水效果和浆液扩散规律的影响。在二维裂隙网络中温度为10℃、20℃、35℃和50℃时,分别注入相同温度相同体积的浆液,在温度为20℃和50℃时的注浆效果较好;对于三维裂隙网络,在流速较低的条件下,四种温度条件的注浆相对堵水率均较好,但随着流速从0.45 cm/s增加到0.77 cm/s,在10℃和20℃时相对堵水效果好。根据三维正交裂隙网络动水注浆的浆液扩散形态,将扩散形态分别沿水平向/竖直向划分为压力作用扩散/沿裂隙方向扩散、重力和顺水流双重作用扩散/近圆形扩散以及顺水流方向扩散/顺水流近圆形扩散。三维正交裂隙网络注浆的渗流压力、注浆压力与温度的影响规律与单裂隙的相同,即裂隙渗流压力与注浆压力呈现正相关关系,温度变化曲线与渗流压力曲线呈现负相关关系。(7)对朱仙庄煤矿侏罗系第五含水层帷幕注浆工程进行了宏观与微观效果检验,结果表明注浆工程达到了帷幕截流的作用,同时验证浆液扩散距离与理论和试验值相符。通过现场疏放水试验,证明注浆工程可有效隔断“五含”与“奥灰”之间的水力联系,并验证浆液扩散范围与理论推导值接近。压汞和电镜扫描试验表明,水泥在裂隙面上形成水化胶状物,减小了含水层裂隙岩体的空隙率,降低了裂隙岩体的渗透系数,达到有效截流的作用。