《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Differentiated grouting reinforcement for mines based on material rheology and coal–rock bonding characteristics
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为解决煤矿长壁工作面片帮和冒顶问题，研究人员开展基于材料流变学与煤岩体粘结特性的差异化注浆加固研究。通过系统评估PISC、JIRM、TIRM和SPM四种注浆材料的流变性能、力学特性及破坏模式，结合现场应用提出差异化选材策略。结果表明：TIRM适用于高应力区快速强固，SPM擅长应急韧性支护，JIRM适合大范围预注浆。该研究为复杂地质条件下注浆材料精准选型提供实践框架，显著提升工作面稳定性并降低施工成本。
随着矿井开采深度不断加大，工作面承受的原岩应力持续增强，导致煤壁片帮和顶板冒落事故频发，严重威胁矿山安全生产。注浆加固技术作为修复和支护深部采矿工作面的重要手段，其效果高度依赖于注浆材料的选择。然而，面对复杂多变的地质条件和多样化的加固需求，单一类型的注浆材料往往难以胜任。传统材料如普通硅酸盐水泥（PISC）存在流动性、早期强度和凝结时间等方面的局限；而高性能的双组分材料虽然强度突出，但若在全工作面大规模使用则成本高昂；有机化学材料渗透性和固化性能优异，但其可燃性或毒性又限制了其在地下工程中的大规模应用。这些矛盾凸显了需要一种能够根据具体加固区域的力学要求、施工安全性和经济可行性进行精细化平衡的注浆材料选择策略。以往的研究多集中于单一材料的性能评价或优化，且大多停留在实验室尺度，缺乏将材料表征与全尺寸现场验证相结合的研究，导致材料层面的行为与其在实际采矿条件下的性能之间存在脱节。正是在此背景下，本研究应运而生，旨在通过实验室与现场相结合的系统评估，为矿井注浆加固提供一套科学、实用的材料选择框架。本研究成果发表在《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》期刊上。
为系统评估注浆材料性能，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过维卡仪、泌水率测试和流动度测定，系统表征了四种注浆材料（PISC、JIRM、TIRM、SPM）的流变性能（凝结时间、泌水率、流动度）。其次，以现场采集的煤岩碎块（粒径10-20 mm）为骨料，制备煤-浆体和岩-浆体复合试件，并在矿井井下（孔庄煤矿7436工作面回风巷）进行原位养护，以模拟真实环境。最后，利用自主设计的小型液压试验机，对不同养护龄期的试件进行单轴抗压强度和抗折强度测试，并观察分析其破坏模式。研究还结合工作面地质条件与工程需求，在现场实施了包含长壁工作面注浆和超前注浆的组合方案，并对方案优化前后的注浆量、成本及工作面片帮冒顶情况进行了对比监测。
4.1. 流变性能
通过流变性能测试发现，四种材料表现出显著差异。双组分材料（TIRM, SPM）的凝结时间远短于单组分材料（PISC, JIRM），其中有机双组分材料SPM的初凝和终凝时间最短（分别约为1.67分钟和2.12分钟），展现了最快的反应速度。在流动度方面，超细水泥基的单组分材料JIRM表现最佳（平均约264.9 mm），利于浆液在煤岩裂隙中的扩散。而泌水率则以SPM为零，表现最优，TIRM次之（约0.21%），表明其稳定性好，不易离析。方差分析（ANOVA）表明材料类型对所有新拌性能均有极显著影响（p < 0.001）。这些流变特性的差异直接决定了材料在不同工程场景下的适用性。
4.2. 物理力学性能
力学性能测试结果表明，不同材料加固的煤岩体试件其强度和破坏模式存在明显区别。就单轴抗压强度而言，整体趋势为TIRM > SPM > JIRM > PISC。TIRM加固的试件强度最高，煤体和岩体试件28天强度分别达到34.84 MPa和31.64 MPa。而在抗折强度方面，排序则为SPM > TIRM > JIRM > PISC，SPM加固的试件表现出最高的韧性（煤体试件达7.73 MPa）。三因素方差分析显示，材料类型、养护龄期和试件类型（煤/岩）对力学性能均有显著影响（p < 0.001），且存在显著的 Material × Specimen type 和 Material × Curing time 交互作用。对于单组分材料，岩体试件的强度普遍高于煤体试件；而对于双组分材料，则观察到煤体试件的粘结强度反而高于岩体试件，这可能与双组分材料更能渗透进入煤体更发育的裂隙有关。
4.3. 胶结体破坏模式
破坏模式观察进一步印证了力学性能的差异。PISC胶结体主要表现为脆性破坏，形成清晰的“X”型劈裂面，粘结较弱。JIRM胶结体呈现剪切破坏与局部破碎混合模式。TIRM胶结体则显示出由脆性向韧性过渡的破坏特征，峰值后仍保持一定的残余强度和结构完整性。SPM胶结体表现出典型的韧性破坏，即使破坏后碎块仍被牢固粘结，难以手动分离，裂纹扩展曲折，显示了聚合物材料的高韧性和强粘结能力。
5. 注浆材料的现场应用范围
基于实验室研究结果，结合孔庄煤矿7436工作面的具体条件，制定了差异化的注浆材料选择策略并进行了现场应用。对于需要快速强固的长壁工作面注浆，选用了抗压强度高、具有一定韧性的双组分无机材料TIRM。对于注浆量大的超前预注浆，则选用成本低、流动性好的单组分材料JIRM。对于应急抢险加固，则使用凝结极快、韧性优异的双组分有机材料SPM。现场应用结果表明，优化后的注浆方案（长壁面用TIRM，超前注浆用JIRM）相较于原方案（全部使用JIRM），显著降低了日均注浆量和材料成本，同时工作面日均推进度稳定在约2米，片帮冒顶范围由优化前占工作面的40-60%大幅减少至70-90%，工作面稳定性得到显著改善。
本研究通过实验室与现场相结合的系统评估，明确了四种常用注浆材料（PISC、JIRM、TIRM、SPM）的性能差异及其适用条件。主要结论表明：双组分材料（TIRM, SPM）具有快速凝结、高早强、低泌水等优点，其中TIRM制备的胶结体抗压强度最高，适用于高应力区加固；SPM胶结体则具有优异的韧性和抗折性能，更适用于应急加固和变形复杂区域。单组分材料（JIRM, PISC）在流动性和成本方面有优势，JIRM因其超细颗粒特性，能较好渗透煤岩裂隙，适用于大范围超前注浆，但其强度相对较低。研究还发现了材料性能与煤岩体类型的交互作用规律。基于此提出的差异化注浆材料选择策略在现场成功应用，实现了材料消耗、作业成本的降低和工作面稳定性的显著提升。该研究为解决矿井深部开采中的围岩控制难题提供了重要的理论依据和实践指南，其结合材料特性与工程需求的选材框架对于类似地质和作业条件的矿山具有重要的借鉴意义。未来研究可进一步结合微观结构分析、长期变形监测等手段，深化对煤-岩-浆体相互作用机理的理解，并拓展该策略在不同类型矿井中的应用验证。
