張改玲

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116， 中國(guó))

0 引 言

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)和深地工程建設(shè)經(jīng)常受到水害的嚴(yán)重威脅和制約，大型突水可能淹沒(méi)礦井和地下空間，造成慘痛的生命代價(jià)和經(jīng)濟(jì)損失。突水通道通常由巖體裂隙、斷層破碎帶、陷落柱等構(gòu)成，具有隱蔽性、復(fù)雜性、突發(fā)性和破壞性的特點(diǎn)，其治理難度大、風(fēng)險(xiǎn)高(李術(shù)才等， 2011； 李金秀， 2015)。

注漿堵水是礦山廣泛采用的水害防控技術(shù)，但迄今為止，注漿設(shè)計(jì)和施工仍以經(jīng)驗(yàn)方法為主，人們對(duì)裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理的認(rèn)識(shí)落后于實(shí)踐要求，急需加強(qiáng)研究。

礦山注漿實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)表明，在裂隙巖體中漿液經(jīng)常呈現(xiàn)出不均勻“偏流”擴(kuò)散現(xiàn)象，但是對(duì)其形成機(jī)理的研究剛剛起步(鄭國(guó)勝， 2018)。雖然對(duì)孔隙介質(zhì)注漿體滲透性、斷層帶注漿體、巖溶含水層注漿體的特征進(jìn)行了研究(張改玲， 2011； Zhang， 2016； 陳申， 2019； 王佳豪， 2019)，但是，對(duì)裂隙巖體注漿形成的“漿-巖”組合體的滲透性和采動(dòng)效應(yīng)評(píng)價(jià)還缺乏有效的方法。因此，深部礦山裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散“偏流”機(jī)理及“漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)的研究，是深部礦山工程地質(zhì)和水文地質(zhì)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，對(duì)深部礦山水害防治具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液偏流擴(kuò)散

1.1 裂隙地下水“偏流效應(yīng)”

水文地質(zhì)學(xué)者逐步認(rèn)識(shí)到在大多數(shù)天然巖體中，地下水主要是通過(guò)相對(duì)易滲透的裂縫而非滲透性較差的孔隙滲透的。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)P.A. Withenpoon 教授的團(tuán)隊(duì)對(duì)單裂縫和裂縫網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)尺度裂隙水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了卓有成效的研究(田開(kāi)銘， 1984)。物理模型試驗(yàn)表明，當(dāng)流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，在大多數(shù)裂縫系統(tǒng)中，交叉處的干擾效應(yīng)可以忽略(Wilson et al.，1976)。之后，提出了一種“凹凸”模型，可以闡明可變形裂隙在正應(yīng)力作用下水力特性(Tsang et al.，1981)。

田開(kāi)銘(1983)通過(guò)大量山區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查，得出“整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水流向共同排泄基準(zhǔn)徑流過(guò)程中，逐漸集中到各個(gè)水力傳導(dǎo)率較好的區(qū)域張裂隙中去，最終形成裂隙水脈狀徑流”，以及“斷裂影響帶內(nèi)的裂隙水脈狀徑流”現(xiàn)象。室內(nèi)裂隙水交叉流模擬試驗(yàn)表明，在裂隙寬度不等的交叉裂隙中，裂隙水流過(guò)交叉時(shí)向?qū)捔严镀髁甩，這種現(xiàn)象稱(chēng)為裂隙水偏流(圖1)。裂隙地下水流動(dòng)時(shí)，隙寬不等的交叉裂隙對(duì)水流具有“偏流效應(yīng)”，任一窄縫的水流每過(guò)一個(gè)交叉向?qū)捒p偏流一次(田開(kāi)銘， 1986)。

圖1 交叉裂隙中的偏流現(xiàn)象(據(jù)田開(kāi)銘(1983)修改)Fig. 1 Deflection in cross fractures(Modified from Tian(1983))

在非均質(zhì)裂隙巖石中，“flow channeling”和優(yōu)先流動(dòng)路徑是水流流動(dòng)的常見(jiàn)現(xiàn)象(Neretnieks， 1987； Tsang et al.， 1998)。所謂“flow channeling”指的是流體在具有非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，大部分流體流動(dòng)主要發(fā)生在少數(shù)優(yōu)先流動(dòng)通道中的現(xiàn)象，剪切裂縫中flow channeling現(xiàn)象明顯(Wennberg et al.， 2016)。三維裂縫中偏流隨著開(kāi)度變化率增大而增大(Margolin et al.， 1998)； 孔隙尺寸局部變化是flow channeling現(xiàn)象的重要變量(Zou et al.， 2017)。粗糙交叉裂縫的flow channeling會(huì)顯著增強(qiáng)兩股流體的混合(Johnson et al.， 2006)?！叭恕弊中土严吨兴魉俣?、隙寬組合以及裂隙交叉聯(lián)接影響偏流規(guī)律(宋良， 2013； 朱紅光等， 2015)?；◢弾r裂縫在圍壓作用下flow channeling明顯(Ishibashi et al.， 2015)。在非達(dá)西流情況下裂隙水偏流效應(yīng)更為顯著(王沐， 2018； 楊歡歡等， 2018)。分叉-交叉裂隙中水流流速與水力梯度均呈非線性關(guān)系，不同進(jìn)出水方式裂隙中的優(yōu)勢(shì)流量與總流量之間存在較好的線性擬合關(guān)系，裂隙粗糙度以及進(jìn)出水角度對(duì)優(yōu)勢(shì)流效應(yīng)影響明顯(宋羿， 2019)。交叉裂隙特性對(duì)偏流影響的順序是隙寬比>粗糙度>交叉角度(遲文飛， 2020)。覆巖采動(dòng)裂隙內(nèi)滲流速度的不均衡性，在采空區(qū)兩側(cè)裂隙形成了明顯的優(yōu)勢(shì)滲流通道，裂隙兩端存在被封堵、交叉點(diǎn)處存在偏流等現(xiàn)象(張純旺， 2021)。

注漿實(shí)際上是采用人為加壓的方式將不同性質(zhì)的流體注入到巖體裂隙中，裂隙地下水流動(dòng)的“偏流效應(yīng)”的認(rèn)識(shí)，對(duì)漿液在裂隙巖體中擴(kuò)散機(jī)理的研究，具有重要的啟發(fā)作用。

1.2 裂隙注漿漿液擴(kuò)散

裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散受到多種因素的影響，例如，裂隙開(kāi)度、分布、充填、密度、地下水流等自然條件； 漿液材料、注漿量、注漿壓力、注漿工藝等工程因素。

人們研究裂隙注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律時(shí)，一般遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路，例如，從單一裂隙到二維交叉裂隙再到三維裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。單一裂隙注漿模型試驗(yàn)簡(jiǎn)便、直觀，是裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿模型的基礎(chǔ)。注漿漿液按照本構(gòu)方程可以分為冪律型流體、賓漢姆流體和牛頓流體3種。

注漿孔橫穿裂隙時(shí)，漿液牛頓流體在單一光滑裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律見(jiàn)式(1)(Baker， 1974)。

(1)

賓漢姆流體在一維水平裂隙中的流量模型見(jiàn)式(2)和式(3)(Wallner， 1976)。

(2)

(3)

單一裂隙中牛頓流體和賓漢姆流體擴(kuò)散的方程可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)(Dai et al.， 1981； Amadei et al.， 2001； Funehag et al.， 2006)。裂隙開(kāi)度、注漿壓力、凝膠時(shí)間、漿液黏度和裂隙擴(kuò)張等影響著漿液擴(kuò)散，裂隙擴(kuò)張可以促進(jìn)漿液在已封閉裂隙中的滲透(Gothall et al.，2009)。

近年來(lái)，單一裂隙動(dòng)水注漿擴(kuò)散得到重視，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬研究了裂縫寬度、注漿壓力、注漿時(shí)間、漿液黏度、裂隙粗糙度、裂隙傾角等因素對(duì)漿液擴(kuò)散和封堵效果等的影響，建立了單一裂隙動(dòng)水注漿擴(kuò)散模型(湛鎧瑜等， 2011； 綦建峰， 2015； Sui et al.，2015a，2015b； 楊萍等， 2017； Jin et al.， 2019； Liang et al.， 2019)。

自然界中裂隙多以網(wǎng)絡(luò)形式存在，單一裂隙注漿的理論難以描述在復(fù)雜地質(zhì)條件下的漿液擴(kuò)散，因此，準(zhǔn)三維裂隙動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)臺(tái)(Li et al.， 2011)、透明土實(shí)驗(yàn)技術(shù)(Sui et al.， 2015b)和三維交叉裂隙模型(趙鵬， 2016)等被用于地下工程突水注漿擴(kuò)散機(jī)理研究，獲得了不同工況下漿液擴(kuò)散過(guò)程、形態(tài)、主裂隙與交叉裂隙壓力分布變化等。研究還發(fā)現(xiàn)裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)關(guān)鍵位置處壓力有隨注漿壓力的增加大致呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨裂隙開(kāi)度的增加大致呈線性下降趨勢(shì)，不隨漿液黏度變化而變化(劉濱等， 2020)。二維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)中漿液擴(kuò)散模擬方法(Mohajerani et al.， 2017)、裂隙-管道介質(zhì)的SDS模擬分析方法(潘東東， 2020)、賓漢姆流體在單個(gè)裂縫中的兩相流模型(Zou et al.， 2020)等為復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿擴(kuò)散及封堵過(guò)程的可視化提供了新的手段。

目前，對(duì)于漿液在巖體裂隙中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律研究已經(jīng)從單裂隙擴(kuò)展到裂隙網(wǎng)絡(luò)、從靜水?dāng)U展到動(dòng)水、從光滑裂隙擴(kuò)展到考慮各種粗糙度裂隙中，從牛頓流體和賓漢姆流體擴(kuò)展到復(fù)雜的黏時(shí)變漿液擴(kuò)散方程的研究，較好地認(rèn)識(shí)了不同因素對(duì)漿液擴(kuò)散和封堵效果的影響，但對(duì)于動(dòng)水條件下復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿漿液擴(kuò)散的機(jī)理和規(guī)律仍待進(jìn)一步揭示。

1.3 裂隙動(dòng)水注漿“偏流效應(yīng)”

裂隙注漿漿液擴(kuò)散的“偏流效應(yīng)”和各向異性現(xiàn)象，對(duì)注漿封堵效果會(huì)產(chǎn)生重要影響。裂隙開(kāi)度空間的變化顯著影響漿液的擴(kuò)散和滲透率(Eriksson et al.， 2000； Rafi et al.，2015)，灌漿孔的布置同樣影響裂隙巖體注漿帷幕的有效性(Shuttle et al.， 2003)。對(duì)高壓隧洞裂隙巖體的滲流的離散單元法模擬，得到了裂隙巖體的優(yōu)先滲流通道和滲流控制效果規(guī)律(Lin et al.， 2018)。通過(guò)單裂隙、二維交叉裂隙網(wǎng)絡(luò)和三維正交裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿多場(chǎng)耦合模擬研究，建立了滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合作用下裂隙巖體黏時(shí)變漿液擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型(張丁陽(yáng)， 2018)。

實(shí)際注漿工程中偏流現(xiàn)象明顯。圖2a是甘肅劉園子礦豎井500m深處注漿后開(kāi)挖斷面上漿液，顯示出主要沿近水平方向裂隙擴(kuò)散為主； 圖2b也呈現(xiàn)出漿液擴(kuò)散的偏流特征。

圖2 劉園子礦豎井注漿裂隙網(wǎng)格化學(xué)漿液偏流擴(kuò)散Fig. 2 Deflection propagation of chemical grout in fracture grid in the Liuyuanzi Mine shafta. 豎井500m深處漿液沿水平方向擴(kuò)散； b. 樣品中注漿漿液不均勻擴(kuò)散

裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散試驗(yàn)也顯示了偏流現(xiàn)象。如圖3所示，在60°交叉的規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)中，水流方向從右往左，漿液明顯沿著在開(kāi)度大的裂隙擴(kuò)展，動(dòng)水流速等因素對(duì)裂隙注漿漿液擴(kuò)散的偏流效應(yīng)也存在不同影響(鄭國(guó)勝， 2018； 隋旺華等， 2019； Jiang et al.，2021)。

圖3 裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿漿液偏流擴(kuò)散(鄭國(guó)勝， 2018)Fig. 3 Deflection propagation of grout in fracture network with flowing water(Zheng， 2018)a. 2mm裂隙相較1mm裂隙為優(yōu)勢(shì)擴(kuò)散方向； b. 2mm裂隙中對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散； c. 3mm裂隙相較2mm裂隙為優(yōu)勢(shì)擴(kuò)散方向； d. 4mm裂隙相較 2mm裂隙為優(yōu)勢(shì)擴(kuò)散方向

綜上所述，目前對(duì)注漿漿液在巖體裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律以及影響因素雖然進(jìn)行了大量研究，但主要考慮了規(guī)則的人字形， X型交叉裂隙等，且假設(shè)交叉裂隙不同方向的流動(dòng)互不影響，在實(shí)質(zhì)上都忽視了交叉裂隙對(duì)水流和漿液擴(kuò)散的干擾。對(duì)于裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散“偏流效應(yīng)”的研究，目前主要基于數(shù)值模擬和簡(jiǎn)化的物理模型，對(duì)注漿工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和隱蔽性等考慮不足，數(shù)值模擬受到注漿偏流本構(gòu)關(guān)系不清的限制，難以描述實(shí)際漿液的擴(kuò)散。

2 深部礦山“漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)

2.1 深部礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)效應(yīng)

谷德振(1979)指出“地下水對(duì)礦山開(kāi)發(fā)、水庫(kù)大壩興建以及地下工程開(kāi)拓等都有不同的危害”，提出了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念，即“水文地質(zhì)單元隨著褶皺變形而呈現(xiàn)的空間分布和組合形式以及含水層的水動(dòng)力特征?！薄八牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)就是巖性、構(gòu)造和地下水的共同構(gòu)成體。地下水的活動(dòng)顯然受地質(zhì)構(gòu)造和隔水層的制約，地下水系同樣有縱向徑流與橫向徑流之分，其分布規(guī)律則視水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)而異?！?/p>

結(jié)合我國(guó)煤礦的宏觀地質(zhì)背景及礦山水害的研究基礎(chǔ)，提出了礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念。礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)是指含水層和隔水層，或含水層組和隔水層組在采掘影響下，其水文地質(zhì)特征(水位、水質(zhì)、滲透性等)的變化以及含水層、隔水層的變形和破壞等，主要體現(xiàn)在兩方面，(1)巖土體變形破壞，包括頂?shù)装鍘r層和土層的變形破壞； (2)地下水滲流狀態(tài)變化，包括地下水動(dòng)態(tài)變化及水害事故發(fā)生(隋旺華， 2019； 隋旺華等， 2022)。金屬礦開(kāi)采條件下，節(jié)理角度與覆巖破壞機(jī)制及地表移動(dòng)規(guī)律具有關(guān)聯(lián)性(馬鳳山等， 2018)。光纖等現(xiàn)代傳感器技術(shù)可以監(jiān)測(cè)采掘條件下應(yīng)變場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、地球物理場(chǎng)的改變(孫斌楊等， 2021)。注漿形成的“漿-巖”組合體同樣會(huì)承受采動(dòng)的影響，需要從水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的人為改造和采動(dòng)影響兩個(gè)方面開(kāi)展深入研究。

2.2 “漿-巖”組合體的采動(dòng)效應(yīng)

“漿-巖”組合體是指漿液注入巖體裂隙和孔隙后形成的、由巖塊、結(jié)構(gòu)面和漿液共同組成的固結(jié)體，其物理力學(xué)性質(zhì)與原巖成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造密切相關(guān)，但是，由于漿液的灌入和膠結(jié)又改變了其原有的性質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同注漿材料與松散砂層的固結(jié)體的力學(xué)性質(zhì)及滲透特征開(kāi)展了較為深入的研究。比較早地關(guān)注了化學(xué)灌漿體的流變特性研究(Shen et al.， 1976； Borchert et al.， 1983)； 比較了不同化學(xué)灌漿材料固結(jié)體蠕變特性(Delfosse-Ribay et al.， 2006)； 對(duì)丙烯酰胺、環(huán)氧樹(shù)脂漿液在不同粒度組成的砂中灌注的力學(xué)性質(zhì)和滲透性進(jìn)行了研究(Ozgurel et al.， 2005； Anagnostopoulos et al.， 2011)； 用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和示蹤試驗(yàn)方法測(cè)定化學(xué)注漿體的滲透系數(shù)和檢驗(yàn)注漿效果(Karol， 2003； Hirokazu et al.， 2010)； 不同聚氧丙烯類(lèi)漿液固結(jié)體的抗?jié)B壓力隨著溶劑用量的增加而下降(陳洪光等， 2005)； 不同圍壓和滲透壓差條件下化學(xué)注漿固砂體的滲透性不同(張改玲， 2011)。對(duì)煤礦斷層帶注漿體、巖溶含水層注漿體特征已進(jìn)行了初步研究(陳申， 2019； 王佳豪， 2019)。

礦山裂隙巖體中動(dòng)水注漿“偏流效應(yīng)”形成的“漿-巖”組合體由于其形狀不規(guī)則，無(wú)法利用現(xiàn)有對(duì)規(guī)則形狀的力學(xué)分析和滲流分析方法來(lái)評(píng)價(jià)其采動(dòng)效應(yīng)和防滲效果。疊加開(kāi)采對(duì)注漿體的擾動(dòng)加劇，“漿-巖”組合體的變形破壞和滲透性變化變得更為復(fù)雜，其機(jī)理亟待揭示。

3 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和研究思路

3.1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

3.1.1 深部礦山裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理

由于裂隙巖體中漿液的各向異性擴(kuò)展，會(huì)對(duì)注漿孔的布置、注漿封堵效果等產(chǎn)生重要影響，因此，對(duì)動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)十分重要。通過(guò)可視化模擬試驗(yàn)，揭示漿液偏流機(jī)理，建立裂隙巖體注漿偏流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，使其更加接近實(shí)際，并作為深部礦山裂隙巖體注漿設(shè)計(jì)和施工的重要理論依據(jù)。所以，巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理是要攻克的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

3.1.2 深部礦山裂隙巖體“漿-巖”組合體采動(dòng)變形破壞及滲透性變化機(jī)理

由于裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散的偏流效應(yīng)，造成了裂隙巖體中的漿液偏流擴(kuò)散形成的灌漿體形狀不規(guī)則，再疊加開(kāi)采影響，異形“漿-巖”組合體的變形破壞和滲透性變化就變得更為復(fù)雜，而這又是評(píng)價(jià)其采動(dòng)條件下防滲效果的重要依據(jù)。但是，目前的研究尚未涉及到這一問(wèn)題。因此，異形“漿-巖”組合體的變形破壞和滲透性變化規(guī)律是要攻克的另一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3.2 研究思路

運(yùn)用工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、采礦工程和計(jì)算流體力學(xué)和巖土力學(xué)等多學(xué)科交叉理論，采用地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、工程實(shí)踐等方法手段，以典型礦山深部開(kāi)采注漿防治水工程為背景，從深部開(kāi)采礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型刻畫(huà)，研究裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理及影響因素、裂隙網(wǎng)絡(luò)偏流注漿“漿-巖”組合體采動(dòng)變形破壞及滲透性變化機(jī)理，構(gòu)建裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液偏流異形“漿-巖”組合體采動(dòng)變形穩(wěn)定性和滲透性評(píng)價(jià)方法，利用礦山深部注漿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，為深部礦山水害防治提供理論依據(jù)。技術(shù)路線見(jiàn)圖4。

圖4 研究技術(shù)路線Fig. 4 Technical route for research

4 研究設(shè)想

4.1 深部礦山裂隙巖體注漿漿液“偏流機(jī)理”

揭示深部礦山巖體裂隙動(dòng)水注漿漿液偏流擴(kuò)散機(jī)理，闡明漿液擴(kuò)散規(guī)律，建立漿液擴(kuò)散模型，獲得“漿-巖”組合體的性狀和空間形態(tài)，形成裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流效應(yīng)的理論創(chuàng)新。主要內(nèi)容包括：

(1)深部礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)礦床邊界條件、含水層、隔水層分布、充水水源、導(dǎo)水通道(特別是斷層)、水文地質(zhì)邊界、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，以及采掘空間等的空間位置與組合關(guān)系，建立反映自然狀態(tài)下的礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

(2)深部礦山裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。查明礦山煤層(金屬礦脈)圍巖裂隙巖體結(jié)構(gòu)，包括節(jié)理、裂隙、斷層面、劈理、裂縫、軟弱層等結(jié)構(gòu)面的分布發(fā)育情況，建立采動(dòng)前巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。布置長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)研究煤層(金屬礦脈)開(kāi)采后巖體結(jié)構(gòu)變化及采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)變化，構(gòu)建裂隙網(wǎng)絡(luò)隨開(kāi)采動(dòng)態(tài)變化模型，作為研究注漿漿液擴(kuò)散時(shí)空演化的基礎(chǔ)。

(3)裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理及影響因素。以礦山注漿防治水工程為研究背景，依據(jù)裂隙巖體中動(dòng)水注漿相似定律，采用透明可視化裂隙巖體注漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯繂瘟严杜c裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理及影響因素(圖5)。包括研究不同漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理及多種因素(粗糙度、開(kāi)度、動(dòng)水流速、傾角、漿液凝膠時(shí)間、漿液注漿量、充填物)對(duì)漿液擴(kuò)散、流體壓力以及注漿堵水效果的影響程度； 獲取影響因素的主次順序，分析不同因素組合與注漿堵水效果之間的關(guān)系， 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與離散元(CFD+DEM)耦合方法，實(shí)現(xiàn)巖體裂隙壁面、漿液顆粒、流體顆粒的碰撞、聚合、分離以及漿液黏時(shí)變特征模擬； 對(duì)比物理模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步揭示漿液擴(kuò)散偏流效應(yīng)的機(jī)理。

圖5 基于透明模型試驗(yàn)的裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of a set up for grouting in fracture network based on transparent modeling

(4)裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流模型。依據(jù)巖體力學(xué)、滲流理論以及工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合黏時(shí)變特征，構(gòu)建裂隙注漿漿液擴(kuò)散偏流模型，為工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4.2 “漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)

揭示采動(dòng)影響下裂隙巖體注漿擴(kuò)散異形“漿-巖”組合體變形破壞及滲透性變化機(jī)理，建立“漿-巖”組合體滲透性能及其采動(dòng)效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，形成裂隙巖體動(dòng)水注漿效果評(píng)價(jià)的方法創(chuàng)新。主要內(nèi)容包括：

(1)三維異形注漿“漿-巖”組合體形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)漿液偏流擴(kuò)散與凝固規(guī)律，描繪漿液在裂隙巖體中擴(kuò)散形成的三維異形“漿-巖”組合體形態(tài)特征，建立異形“漿-巖”組合體的三維表征模型。進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，獲得異形注漿“漿-巖”組合體的力學(xué)指標(biāo)特別是滲透性參數(shù)，為研究采動(dòng)影響下的變形破壞和滲透性變化奠定基礎(chǔ)。

(2)采動(dòng)影響下裂隙網(wǎng)絡(luò)偏流“漿-巖”組合體變形破壞及滲透性變化機(jī)理。通過(guò)大型物理模型試驗(yàn)，對(duì)采動(dòng)影響下注漿“漿-巖”組合體變形及破壞、采動(dòng)影響下“漿-巖”組合體滲透性變化機(jī)理進(jìn)行研究。例如，云南某鉛鋅礦南部含水層構(gòu)造裂隙帷幕注漿，采用了“垂直孔”+“魚(yú)刺型”分支孔+“S”型分支孔，有效地增加了裂隙接觸面積，注漿后地層單位透水率大幅降低，取芯孔驗(yàn)證漿液結(jié)石性好(圖6)。結(jié)合該注漿工程，設(shè)計(jì)大型室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，針對(duì)裂隙巖體和漿液偏流擴(kuò)散形成的異形“漿-巖”組合體，采用光纖、壓力、水壓傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，監(jiān)測(cè)有關(guān)物理量在開(kāi)采過(guò)程中的變化，研究“漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)(圖7)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)注漿工程布置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the layout of the on-site grouting projecta. 平面圖； b. 剖面圖

圖7 “漿-巖”組合體采動(dòng)模型及傳感器布置示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the mining model and sensor layout of the “grouted-rock” combination

(3)注漿裂隙網(wǎng)絡(luò)水動(dòng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化及采動(dòng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)長(zhǎng)期水文地質(zhì)觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)，觀測(cè)分析注漿和開(kāi)采過(guò)程中水動(dòng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的演變，為評(píng)價(jià)注漿效果及采動(dòng)條件下的變化提供依據(jù)。利用光纖監(jiān)測(cè)采動(dòng)后注漿“漿-巖”組合體的位移、應(yīng)力等，利用地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)地下水水動(dòng)力場(chǎng)變化并分析其演化特征； 采用連通試驗(yàn)檢測(cè)注漿體的防滲效果。獲得注漿前后以及開(kāi)采過(guò)程中的變化數(shù)據(jù)和特征，對(duì)研究的結(jié)果進(jìn)行工程驗(yàn)證。帷幕注漿體內(nèi)外安裝的分布式光纖傳感器，如圖8所示。

圖8 注漿帷幕內(nèi)分布式光纖監(jiān)測(cè)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of installation and layout of distributed optical fiber monitoring system in a grouting curtain

4.3 研究難點(diǎn)及對(duì)策

當(dāng)前，在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分布的準(zhǔn)確刻畫(huà)、漿液擴(kuò)散與地下水流動(dòng)之間的相互作用觀測(cè)、“漿-巖”組合體形狀、采動(dòng)過(guò)程中漿液和圍巖接觸界面響應(yīng)等方面還受到技術(shù)手段的制約，需要逐步解決。在研究中，物理模型和數(shù)值模型的概化十分關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)在大量野外和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，充分利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地質(zhì)建模的理論和方法、地球物理探測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代傳感和信息技術(shù)等，反映實(shí)際的水文地質(zhì)工程地質(zhì)模型。在研究采動(dòng)對(duì)“漿-巖”組合體的影響時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和監(jiān)測(cè)獲得其應(yīng)力變形破壞的時(shí)空演化，是評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性和可靠性的重要基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

(1)綜述了裂隙巖體地下水偏流和注漿漿液擴(kuò)散研究現(xiàn)狀，提出了深部礦山裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散偏流效應(yīng)的研究命題，凝練了深部礦山裂隙巖體注漿堵水的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，即深部礦山裂隙巖體動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理、深部礦山裂隙巖體注漿“漿-巖”組合體采動(dòng)變形破壞與滲透性變化機(jī)理。

(2)提出了巖體注漿漿液擴(kuò)散偏流機(jī)理的研究?jī)?nèi)容，包括：礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型研究、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)采動(dòng)演化規(guī)律、裂隙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)水注漿漿液偏流擴(kuò)散規(guī)律和數(shù)學(xué)模型等。

(3)提出了裂隙巖體注漿“漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)的研究?jī)?nèi)容，包括：裂隙巖體注漿三維異形注漿“漿-巖”組合體形態(tài)及其巖體力學(xué)行為、采動(dòng)條件下偏流異形“漿-巖”組合體變形破壞及滲透性變化機(jī)理以及水動(dòng)力場(chǎng)演變，異形“漿-巖”組合體采動(dòng)效應(yīng)和防滲機(jī)理等。

(4)深部礦山工程地質(zhì)水文條件是研究的地質(zhì)基礎(chǔ)，裂隙網(wǎng)絡(luò)透明介質(zhì)可視化注漿模型為觀測(cè)漿液偏流運(yùn)移過(guò)程提供了的有效途徑，工程地質(zhì)大型物理模型為異形“漿-巖”組合體采動(dòng)變形破壞與滲透性變化機(jī)理研究提供了有效手段； 現(xiàn)場(chǎng)注漿帷幕采動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和綜合分析，將為裂隙巖體注漿機(jī)理研究和應(yīng)用評(píng)價(jià)提供工程實(shí)踐依據(jù)。

致 謝感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)： 42172293)資助； 感謝中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究生陳嘉興、張進(jìn)川提供的編輯幫助。