随着我国深部地下工程建设需求日益扩大,深部地下工程建设过程中的水害防治工作已经成为一个重要的研究课题。深部地层具有高地应力、高水压等特点,使得富水碎裂岩体成为深部地层极为常见的一种不良地质条件。注浆是传统且有效的水害防治方法,但在深部地层的高地应力作用下,富水碎裂岩体的导水通道因挤压而闭合,造成渗透率低;在深部地层的高水压作用下,单一浆液易被流动水冲蚀,从而造成浆液损失,深部注浆工程面临传统水泥基浆液难注入的问题。聚氨酯-水玻璃浆液功能性强,可防冲蚀;可注性好,注浆压力低;粘度小,渗透范围大。因此使用聚氨酯-水玻璃浆液开展注浆,在深部富水碎裂岩体水害防治中逐渐表现出优势。但是目前关于适用于深部注浆的聚氨酯-水玻璃浆液材料性能不清,浆液在碎裂岩体中的渗透理论不够完善,深部地下工程联合注浆技术尚不成熟,导致现有研究成果无法有效指导深部地下工程中聚氨酯-水玻璃浆液注浆应用。本文以深部富水碎裂岩体为研究对象,依托“十三五”国家重点研发计划《金属矿深竖井井壁结构与围岩控制关键技术》课题,采用了室内试验、理论推导、注浆模型试验和数值模拟等方法,深入开展了深部富水碎裂岩体聚氨酯-水玻璃浆液注浆机理及应用研究。研发并测试了聚氨酯-水玻璃浆液及其辅助浆液的基础性能和材料学特征;建立了考虑粘度时空变化特性的聚氨酯-水玻璃浆液渗透注浆机理;开展了富水碎裂岩体复合渗透注浆加固机理的模型试验研究。实现了考虑粘度时空变化的聚氨酯-水玻璃复合注浆数值模拟;最终建立了深部地下工程分层分序联合注浆技术,并在课题合作工程1000 m以深开展了工程应用和分析。本文的主要研究内容如下:(1)为有效应对深部地下工程水害,解决闭合导水通道注浆难的问题,研发了加固聚氨酯-水玻璃材料,开展了该材料的力学、流变学性能测试,研究了加固聚氨酯-水玻璃的凝结时间与硬化时间规律、单轴抗压强度、粘度变化规律、循环加卸载响应,测试了海水腐蚀对加固聚氨酯-水玻璃的强度影响。同时使用扫描电镜、X射线衍射等方法,对加固聚氨酯-水玻璃进行了观形貌表征和结构表征。同时开展了辅助材料发泡聚氨酯-水玻璃和纳米硅溶胶的基础材料性能研究,并开展了材料的微观形貌表征和结构表征。(2)为从理论层面准确描述聚氨酯-水玻璃浆液的渗透注浆特性,考虑静态混合的施工方法对浆液粘度产生的影响,由浅及深的分析了以加固聚氨酯-水玻璃浆液为代表的双组分速凝化学浆液的渗透注浆机理。开展了考虑粘度时空变化特性的一维渗透注浆机理研究,在此基础上建立了考虑粘度时空变化特性的球形和柱形渗透注浆模型。最终将所建立理论的分析结果分别与试验结果和数值结果进行对比,验证了理论的合理性。(3)为研究深部富水碎裂岩体渗透注浆扩散规律和注浆效果,研发了可视化富水碎裂岩体复合渗透注浆模拟试验系统。该可视化注浆模型试验系统由可视注浆舱室、静态混合注浆系统和监测系统三部分组成。可以实现多浆液不同位置的渗透注浆过程可视化模拟。开展了加固聚氨酯-水玻璃静态混合效果研究,在此基础上以加固聚氨酯-水玻璃为主要注浆材料,以发泡聚氨酯-水玻璃为辅助注浆材料,以饱和砾石为被注浆介质,开展了复合渗透注浆模拟试验。获得了渗透注浆过程中压力场和浆液渗流的动态演化规律。选择不同特征位置进行钻孔取芯,测试注浆体试样的强度、孔隙度、密度和渗透性等参数,并分析注浆效果,揭示富水破碎带复合渗透注浆加固机理。(4)运用多孔介质多相流和达西定律耦合的方法,分析了聚氨酯-水玻璃浆液驱替地下水的注浆过程,实现了考虑重力、流动水和粘度时空变化的聚氨酯-水玻璃复合注浆数值模拟,得到了渗流、压力、流速流线等参数的演化规律,从数值角度验证了复合注浆试验结果的合理性,使用数值方法进一步分析了不同工况下的浆液渗流特征,(5)建立了适用于深部富水裂隙岩体的分层分序联合注浆技术,结合所提出的渗透注浆机理与数值方法制定了千米深竖井及巷道的注浆方案。在金矿深竖井及巷道中进行分层分序联合注浆,通过注浆孔渗水量和注浆前后岩心密度分析并确认了注浆效果,验证了注浆设计的有效性。