裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望*

张改玲

(中国矿业大学， 资源与地球科学学院， 徐州 221116， 中国)

0 引 言

矿产资源开发和深地工程建设经常受到水害的严重威胁和制约，大型突水可能淹没矿井和地下空间，造成惨痛的生命代价和经济损失。突水通道通常由岩体裂隙、断层破碎带、陷落柱等构成，具有隐蔽性、复杂性、突发性和破坏性的特点，其治理难度大、风险高(李术才等， 2011； 李金秀， 2015)。

注浆堵水是矿山广泛采用的水害防控技术，但迄今为止，注浆设计和施工仍以经验方法为主，人们对裂隙岩体注浆浆液扩散机理的认识落后于实践要求，急需加强研究。

矿山注浆实践和室内试验表明，在裂隙岩体中浆液经常呈现出不均匀“偏流”扩散现象，但是对其形成机理的研究刚刚起步(郑国胜， 2018)。虽然对孔隙介质注浆体渗透性、断层带注浆体、岩溶含水层注浆体的特征进行了研究(张改玲， 2011； Zhang， 2016； 陈申， 2019； 王佳豪， 2019)，但是，对裂隙岩体注浆形成的“浆-岩”组合体的渗透性和采动效应评价还缺乏有效的方法。因此，深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散“偏流”机理及“浆-岩”组合体采动效应的研究，是深部矿山工程地质和水文地质亟待解决的科学问题，对深部矿山水害防治具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 裂隙岩体动水注浆浆液偏流扩散

1.1 裂隙地下水“偏流效应”

水文地质学者逐步认识到在大多数天然岩体中，地下水主要是通过相对易渗透的裂缝而非渗透性较差的孔隙渗透的。20世纪60年代开始，美国加利福尼亚大学P.A. Withenpoon 教授的团队对单裂缝和裂缝网络两个尺度裂隙水运动进行了卓有成效的研究(田开铭， 1984)。物理模型试验表明，当流动处于层流状态时，在大多数裂缝系统中，交叉处的干扰效应可以忽略(Wilson et al.，1976)。之后，提出了一种“凹凸”模型，可以阐明可变形裂隙在正应力作用下水力特性(Tsang et al.，1981)。

田开铭(1983)通过大量山区水文地质调查，得出“整个裂隙网络中的水流向共同排泄基准径流过程中，逐渐集中到各个水力传导率较好的区域张裂隙中去，最终形成裂隙水脉状径流”，以及“断裂影响带内的裂隙水脉状径流”现象。室内裂隙水交叉流模拟试验表明，在裂隙宽度不等的交叉裂隙中，裂隙水流过交叉时向宽裂隙偏流了Δq，这种现象称为裂隙水偏流(图1)。裂隙地下水流动时，隙宽不等的交叉裂隙对水流具有“偏流效应”，任一窄缝的水流每过一个交叉向宽缝偏流一次(田开铭， 1986)。

图1 交叉裂隙中的偏流现象(据田开铭(1983)修改)Fig. 1 Deflection in cross fractures(Modified from Tian(1983))

在非均质裂隙岩石中，“flow channeling”和优先流动路径是水流流动的常见现象(Neretnieks， 1987； Tsang et al.， 1998)。所谓“flow channeling”指的是流体在具有非均质结构的地质系统中流动时，大部分流体流动主要发生在少数优先流动通道中的现象，剪切裂缝中flow channeling现象明显(Wennberg et al.， 2016)。三维裂缝中偏流随着开度变化率增大而增大(Margolin et al.， 1998)； 孔隙尺寸局部变化是flow channeling现象的重要变量(Zou et al.， 2017)。粗糙交叉裂缝的flow channeling会显著增强两股流体的混合(Johnson et al.， 2006)。“人”字型裂隙中水流速度、隙宽组合以及裂隙交叉联接影响偏流规律(宋良， 2013； 朱红光等， 2015)。花岗岩裂缝在围压作用下flow channeling明显(Ishibashi et al.， 2015)。在非达西流情况下裂隙水偏流效应更为显著(王沐， 2018； 杨欢欢等， 2018)。分叉-交叉裂隙中水流流速与水力梯度均呈非线性关系，不同进出水方式裂隙中的优势流量与总流量之间存在较好的线性拟合关系，裂隙粗糙度以及进出水角度对优势流效应影响明显(宋羿， 2019)。交叉裂隙特性对偏流影响的顺序是隙宽比>粗糙度>交叉角度(迟文飞， 2020)。覆岩采动裂隙内渗流速度的不均衡性，在采空区两侧裂隙形成了明显的优势渗流通道，裂隙两端存在被封堵、交叉点处存在偏流等现象(张纯旺， 2021)。

注浆实际上是采用人为加压的方式将不同性质的流体注入到岩体裂隙中，裂隙地下水流动的“偏流效应”的认识，对浆液在裂隙岩体中扩散机理的研究，具有重要的启发作用。

1.2 裂隙注浆浆液扩散

裂隙岩体注浆浆液扩散受到多种因素的影响，例如，裂隙开度、分布、充填、密度、地下水流等自然条件； 浆液材料、注浆量、注浆压力、注浆工艺等工程因素。

人们研究裂隙注浆浆液扩散规律时，一般遵循从简单到复杂的思路，例如，从单一裂隙到二维交叉裂隙再到三维裂隙网络进行研究。单一裂隙注浆模型试验简便、直观，是裂隙网络注浆模型的基础。注浆浆液按照本构方程可以分为幂律型流体、宾汉姆流体和牛顿流体3种。

注浆孔横穿裂隙时，浆液牛顿流体在单一光滑裂隙中的扩散规律见式(1)(Baker， 1974)。

(1)

宾汉姆流体在一维水平裂隙中的流量模型见式(2)和式(3)(Wallner， 1976)。

(2)

(3)

单一裂隙中牛顿流体和宾汉姆流体扩散的方程可参见有关文献(Dai et al.， 1981； Amadei et al.， 2001； Funehag et al.， 2006)。裂隙开度、注浆压力、凝胶时间、浆液黏度和裂隙扩张等影响着浆液扩散，裂隙扩张可以促进浆液在已封闭裂隙中的渗透(Gothall et al.，2009)。

近年来，单一裂隙动水注浆扩散得到重视，通过实验或者数值模拟研究了裂缝宽度、注浆压力、注浆时间、浆液黏度、裂隙粗糙度、裂隙倾角等因素对浆液扩散和封堵效果等的影响，建立了单一裂隙动水注浆扩散模型(湛铠瑜等， 2011； 綦建峰， 2015； Sui et al.，2015a，2015b； 杨萍等， 2017； Jin et al.， 2019； Liang et al.， 2019)。

自然界中裂隙多以网络形式存在，单一裂隙注浆的理论难以描述在复杂地质条件下的浆液扩散，因此，准三维裂隙动水注浆模型试验台(Li et al.， 2011)、透明土实验技术(Sui et al.， 2015b)和三维交叉裂隙模型(赵鹏， 2016)等被用于地下工程突水注浆扩散机理研究，获得了不同工况下浆液扩散过程、形态、主裂隙与交叉裂隙压力分布变化等。研究还发现裂隙网络内关键位置处压力有随注浆压力的增加大致呈线性增长的趋势，随裂隙开度的增加大致呈线性下降趋势，不随浆液黏度变化而变化(刘滨等， 2020)。二维离散裂隙网络中浆液扩散模拟方法(Mohajerani et al.， 2017)、裂隙-管道介质的SDS模拟分析方法(潘东东， 2020)、宾汉姆流体在单个裂缝中的两相流模型(Zou et al.， 2020)等为复杂裂隙网络注浆扩散及封堵过程的可视化提供了新的手段。

目前，对于浆液在岩体裂隙中的运动机理和规律研究已经从单裂隙扩展到裂隙网络、从静水扩展到动水、从光滑裂隙扩展到考虑各种粗糙度裂隙中，从牛顿流体和宾汉姆流体扩展到复杂的黏时变浆液扩散方程的研究，较好地认识了不同因素对浆液扩散和封堵效果的影响，但对于动水条件下复杂裂隙网络注浆浆液扩散的机理和规律仍待进一步揭示。

1.3 裂隙动水注浆“偏流效应”

裂隙注浆浆液扩散的“偏流效应”和各向异性现象，对注浆封堵效果会产生重要影响。裂隙开度空间的变化显著影响浆液的扩散和渗透率(Eriksson et al.， 2000； Rafi et al.，2015)，灌浆孔的布置同样影响裂隙岩体注浆帷幕的有效性(Shuttle et al.， 2003)。对高压隧洞裂隙岩体的渗流的离散单元法模拟，得到了裂隙岩体的优先渗流通道和渗流控制效果规律(Lin et al.， 2018)。通过单裂隙、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模拟研究，建立了渗流场、应力场和温度场耦合作用下裂隙岩体黏时变浆液扩散数学模型(张丁阳， 2018)。

实际注浆工程中偏流现象明显。图2a是甘肃刘园子矿竖井500m深处注浆后开挖断面上浆液，显示出主要沿近水平方向裂隙扩散为主； 图2b也呈现出浆液扩散的偏流特征。

图2 刘园子矿竖井注浆裂隙网格化学浆液偏流扩散Fig. 2 Deflection propagation of chemical grout in fracture grid in the Liuyuanzi Mine shafta. 竖井500m深处浆液沿水平方向扩散； b. 样品中注浆浆液不均匀扩散

裂隙网络动水注浆浆液扩散试验也显示了偏流现象。如图3所示，在60°交叉的规则裂隙网络中，水流方向从右往左，浆液明显沿着在开度大的裂隙扩展，动水流速等因素对裂隙注浆浆液扩散的偏流效应也存在不同影响(郑国胜， 2018； 隋旺华等， 2019； Jiang et al.，2021)。

图3 裂隙网络动水注浆浆液偏流扩散(郑国胜， 2018)Fig. 3 Deflection propagation of grout in fracture network with flowing water(Zheng， 2018)a. 2mm裂隙相较1mm裂隙为优势扩散方向； b. 2mm裂隙中对称扩散； c. 3mm裂隙相较2mm裂隙为优势扩散方向； d. 4mm裂隙相较 2mm裂隙为优势扩散方向

综上所述，目前对注浆浆液在岩体裂隙中的扩散规律以及影响因素虽然进行了大量研究，但主要考虑了规则的人字形， X型交叉裂隙等，且假设交叉裂隙不同方向的流动互不影响，在实质上都忽视了交叉裂隙对水流和浆液扩散的干扰。对于裂隙岩体注浆浆液扩散“偏流效应”的研究，目前主要基于数值模拟和简化的物理模型，对注浆工程地质条件的复杂性和隐蔽性等考虑不足，数值模拟受到注浆偏流本构关系不清的限制，难以描述实际浆液的扩散。

2 深部矿山“浆-岩”组合体采动效应

2.1 深部矿山水文地质结构的采动效应

谷德振(1979)指出“地下水对矿山开发、水库大坝兴建以及地下工程开拓等都有不同的危害”，提出了水文地质结构的概念，即“水文地质单元随着褶皱变形而呈现的空间分布和组合形式以及含水层的水动力特征。”“水文地质结构就是岩性、构造和地下水的共同构成体。地下水的活动显然受地质构造和隔水层的制约，地下水系同样有纵向径流与横向径流之分，其分布规律则视水文地质结构而异。”

结合我国煤矿的宏观地质背景及矿山水害的研究基础，提出了矿山水文地质结构概念。矿山水文地质结构的采动响应是指含水层和隔水层，或含水层组和隔水层组在采掘影响下，其水文地质特征(水位、水质、渗透性等)的变化以及含水层、隔水层的变形和破坏等，主要体现在两方面，(1)岩土体变形破坏，包括顶底板岩层和土层的变形破坏； (2)地下水渗流状态变化，包括地下水动态变化及水害事故发生(隋旺华， 2019； 隋旺华等， 2022)。金属矿开采条件下，节理角度与覆岩破坏机制及地表移动规律具有关联性(马凤山等， 2018)。光纤等现代传感器技术可以监测采掘条件下应变场、渗流场、化学场、温度场、地球物理场的改变(孙斌杨等， 2021)。注浆形成的“浆-岩”组合体同样会承受采动的影响，需要从水文地质结构的人为改造和采动影响两个方面开展深入研究。

2.2 “浆-岩”组合体的采动效应

“浆-岩”组合体是指浆液注入岩体裂隙和孔隙后形成的、由岩块、结构面和浆液共同组成的固结体，其物理力学性质与原岩成分、结构、构造密切相关，但是，由于浆液的灌入和胶结又改变了其原有的性质。

国内外学者对不同注浆材料与松散砂层的固结体的力学性质及渗透特征开展了较为深入的研究。比较早地关注了化学灌浆体的流变特性研究(Shen et al.， 1976； Borchert et al.， 1983)； 比较了不同化学灌浆材料固结体蠕变特性(Delfosse-Ribay et al.， 2006)； 对丙烯酰胺、环氧树脂浆液在不同粒度组成的砂中灌注的力学性质和渗透性进行了研究(Ozgurel et al.， 2005； Anagnostopoulos et al.， 2011)； 用现场测试和示踪试验方法测定化学注浆体的渗透系数和检验注浆效果(Karol， 2003； Hirokazu et al.， 2010)； 不同聚氧丙烯类浆液固结体的抗渗压力随着溶剂用量的增加而下降(陈洪光等， 2005)； 不同围压和渗透压差条件下化学注浆固砂体的渗透性不同(张改玲， 2011)。对煤矿断层带注浆体、岩溶含水层注浆体特征已进行了初步研究(陈申， 2019； 王佳豪， 2019)。

矿山裂隙岩体中动水注浆“偏流效应”形成的“浆-岩”组合体由于其形状不规则，无法利用现有对规则形状的力学分析和渗流分析方法来评价其采动效应和防渗效果。叠加开采对注浆体的扰动加剧，“浆-岩”组合体的变形破坏和渗透性变化变得更为复杂，其机理亟待揭示。

3 关键科学问题和研究思路

3.1 关键科学问题

3.1.1 深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理

由于裂隙岩体中浆液的各向异性扩展，会对注浆孔的布置、注浆封堵效果等产生重要影响，因此，对动水条件下浆液扩散运移规律的认识十分重要。通过可视化模拟试验，揭示浆液偏流机理，建立裂隙岩体注浆偏流扩散的数学模型，使其更加接近实际，并作为深部矿山裂隙岩体注浆设计和施工的重要理论依据。所以，岩体动水注浆浆液扩散偏流机理是要攻克的关键科学问题之一。

3.1.2 深部矿山裂隙岩体“浆-岩”组合体采动变形破坏及渗透性变化机理

由于裂隙岩体注浆浆液扩散的偏流效应，造成了裂隙岩体中的浆液偏流扩散形成的灌浆体形状不规则，再叠加开采影响，异形“浆-岩”组合体的变形破坏和渗透性变化就变得更为复杂，而这又是评价其采动条件下防渗效果的重要依据。但是，目前的研究尚未涉及到这一问题。因此，异形“浆-岩”组合体的变形破坏和渗透性变化规律是要攻克的另一关键科学问题。

3.2 研究思路

运用工程地质、水文地质、采矿工程和计算流体力学和岩土力学等多学科交叉理论，采用地质调查、室内实验、数值模拟、理论分析、现场观测、工程实践等方法手段，以典型矿山深部开采注浆防治水工程为背景，从深部开采矿山水文地质结构及裂隙网络动态模型刻画，研究裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理及影响因素、裂隙网络偏流注浆“浆-岩”组合体采动变形破坏及渗透性变化机理，构建裂隙岩体动水注浆浆液偏流异形“浆-岩”组合体采动变形稳定性和渗透性评价方法，利用矿山深部注浆监测数据进行校验，为深部矿山水害防治提供理论依据。技术路线见图4。

图4 研究技术路线Fig. 4 Technical route for research

4 研究设想

4.1 深部矿山裂隙岩体注浆浆液“偏流机理”

揭示深部矿山岩体裂隙动水注浆浆液偏流扩散机理，阐明浆液扩散规律，建立浆液扩散模型，获得“浆-岩”组合体的性状和空间形态，形成裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的理论创新。主要内容包括：

(1)深部矿山水文地质结构。根据矿床边界条件、含水层、隔水层分布、充水水源、导水通道(特别是断层)、水文地质边界、地下水补给、径流、排泄条件，以及采掘空间等的空间位置与组合关系，建立反映自然状态下的矿山水文地质结构模型。

(2)深部矿山裂隙网络动态模型。查明矿山煤层(金属矿脉)围岩裂隙岩体结构，包括节理、裂隙、断层面、劈理、裂缝、软弱层等结构面的分布发育情况，建立采动前岩体裂隙网络模型。布置长期监测系统，观测研究煤层(金属矿脉)开采后岩体结构变化及采动裂隙网络变化，构建裂隙网络随开采动态变化模型，作为研究注浆浆液扩散时空演化的基础。

(3)裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理及影响因素。以矿山注浆防治水工程为研究背景，依据裂隙岩体中动水注浆相似定律，采用透明可视化裂隙岩体注浆试验模型，研究单裂隙与裂隙网络动水注浆浆液扩散偏流机理及影响因素(图5)。包括研究不同浆液扩散偏流机理及多种因素(粗糙度、开度、动水流速、倾角、浆液凝胶时间、浆液注浆量、充填物)对浆液扩散、流体压力以及注浆堵水效果的影响程度； 获取影响因素的主次顺序，分析不同因素组合与注浆堵水效果之间的关系， 采用计算流体动力学与离散元(CFD+DEM)耦合方法，实现岩体裂隙壁面、浆液颗粒、流体颗粒的碰撞、聚合、分离以及浆液黏时变特征模拟； 对比物理模型试验结果，进一步揭示浆液扩散偏流效应的机理。

图5 基于透明模型试验的裂隙网络注浆试验装置示意图Fig. 5 Schematic diagram of a set up for grouting in fracture network based on transparent modeling

(4)裂隙网络动水注浆浆液扩散偏流模型。依据岩体力学、渗流理论以及工程监测数据，结合黏时变特征，构建裂隙注浆浆液扩散偏流模型，为工程设计奠定基础。

4.2 “浆-岩”组合体采动效应

揭示采动影响下裂隙岩体注浆扩散异形“浆-岩”组合体变形破坏及渗透性变化机理，建立“浆-岩”组合体渗透性能及其采动效应的评价方法，形成裂隙岩体动水注浆效果评价的方法创新。主要内容包括：

(1)三维异形注浆“浆-岩”组合体形态和力学性质。通过模型试验观测浆液偏流扩散与凝固规律，描绘浆液在裂隙岩体中扩散形成的三维异形“浆-岩”组合体形态特征，建立异形“浆-岩”组合体的三维表征模型。进行物理力学性质试验，获得异形注浆“浆-岩”组合体的力学指标特别是渗透性参数，为研究采动影响下的变形破坏和渗透性变化奠定基础。

(2)采动影响下裂隙网络偏流“浆-岩”组合体变形破坏及渗透性变化机理。通过大型物理模型试验，对采动影响下注浆“浆-岩”组合体变形及破坏、采动影响下“浆-岩”组合体渗透性变化机理进行研究。例如，云南某铅锌矿南部含水层构造裂隙帷幕注浆，采用了“垂直孔”+“鱼刺型”分支孔+“S”型分支孔，有效地增加了裂隙接触面积，注浆后地层单位透水率大幅降低，取芯孔验证浆液结石性好(图6)。结合该注浆工程，设计大型室内物理模型试验，针对裂隙岩体和浆液偏流扩散形成的异形“浆-岩”组合体，采用光纤、压力、水压传感器和数据采集技术，监测有关物理量在开采过程中的变化，研究“浆-岩”组合体采动效应(图7)。

图6 现场注浆工程布置示意图Fig. 6 Schematic diagram of the layout of the on-site grouting projecta. 平面图； b. 剖面图

图7 “浆-岩”组合体采动模型及传感器布置示意图Fig. 7 Schematic diagram of the mining model and sensor layout of the “grouted-rock” combination

(3)注浆裂隙网络水动力场及渗流场动态演化及采动效应监测。通过长期水文地质观测孔监测，观测分析注浆和开采过程中水动力场和渗流场的演变，为评价注浆效果及采动条件下的变化提供依据。利用光纤监测采动后注浆“浆-岩”组合体的位移、应力等，利用地下水监测网络监测地下水水动力场变化并分析其演化特征； 采用连通试验检测注浆体的防渗效果。获得注浆前后以及开采过程中的变化数据和特征，对研究的结果进行工程验证。帷幕注浆体内外安装的分布式光纤传感器，如图8所示。

图8 注浆帷幕内分布式光纤监测示意图Fig. 8 Schematic diagram of installation and layout of distributed optical fiber monitoring system in a grouting curtain

4.3 研究难点及对策

当前，在岩体裂隙网络分布的准确刻画、浆液扩散与地下水流动之间的相互作用观测、“浆-岩”组合体形状、采动过程中浆液和围岩接触界面响应等方面还受到技术手段的制约，需要逐步解决。在研究中，物理模型和数值模型的概化十分关键，应当在大量野外和监测数据基础上，充分利用地质统计学和地质建模的理论和方法、地球物理探测技术、现代传感和信息技术等，反映实际的水文地质工程地质模型。在研究采动对“浆-岩”组合体的影响时，通过现场观测和监测获得其应力变形破坏的时空演化，是评价其稳定性和可靠性的重要基础。

5 结 论

(1)综述了裂隙岩体地下水偏流和注浆浆液扩散研究现状，提出了深部矿山裂隙岩体注浆浆液扩散偏流效应的研究命题，凝练了深部矿山裂隙岩体注浆堵水的两个关键科学问题，即深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、深部矿山裂隙岩体注浆“浆-岩”组合体采动变形破坏与渗透性变化机理。

(2)提出了岩体注浆浆液扩散偏流机理的研究内容，包括：矿山水文地质结构及裂隙网络动态模型研究、水文地质结构采动演化规律、裂隙网络动水注浆浆液偏流扩散规律和数学模型等。

(3)提出了裂隙岩体注浆“浆-岩”组合体采动效应的研究内容，包括：裂隙岩体注浆三维异形注浆“浆-岩”组合体形态及其岩体力学行为、采动条件下偏流异形“浆-岩”组合体变形破坏及渗透性变化机理以及水动力场演变，异形“浆-岩”组合体采动效应和防渗机理等。

(4)深部矿山工程地质水文条件是研究的地质基础，裂隙网络透明介质可视化注浆模型为观测浆液偏流运移过程提供了的有效途径，工程地质大型物理模型为异形“浆-岩”组合体采动变形破坏与渗透性变化机理研究提供了有效手段； 现场注浆帷幕采动监测数据校验和综合分析，将为裂隙岩体注浆机理研究和应用评价提供工程实践依据。

致 谢感谢国家自然科学基金(批准号： 42172293)资助； 感谢中国矿业大学研究生陈嘉兴、张进川提供的编辑帮助。