《Results in Engineering》：Grouting characteristics in rock fractures considering slurry seepage-rock mass deformation coupling effect: apparatus design and experimental study
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国际能源署（International Energy Agency，IEA）预测，在既定政策情景下，煤炭消费量将在现在至2030年间达到峰值。随着华北型煤田浅部煤炭资源枯竭以及保障煤炭供应的需要，大多数煤矿已转向开采埋深较大的下组煤。然而，煤系地层下部发育富水
国际能源署（International Energy Agency，IEA）预测，在既定政策情景下，煤炭消费量将在现在至2030年间达到峰值。随着华北型煤田浅部煤炭资源枯竭以及保障煤炭供应的需要，大多数煤矿已转向开采埋深较大的下组煤。然而，煤系地层下部发育富水性强的石炭系灰岩含水层（Carboniferous limestone aquifer，CL）和奥陶系灰岩含水层（Ordovician limestone aquifer，OL）。由于多数区域下组煤底板与含水层之间的距离不满足《煤矿防治水细则》（2018）（NCMSA）的要求，下组煤普遍受到厚层奥陶系灰岩含水层的威胁，造成大量优质煤炭资源的浪费。
为合理开发受含水层水害严重威胁的深部煤炭资源，通常采用降低含水层水压、增加煤层底板隔水层厚度的防治水技术。煤层底板含水层注浆改造技术是践行绿色开采创新理念、降低矿井水灾害威胁的完美解决方案之一。为增加煤层底板隔水层厚度，可采用煤层底板含水层注浆改造方法。浆液在裂隙岩体中的扩散距离是判断注浆效果的重要依据。目前，注浆扩散规律的研究方法包括理论研究、数值模拟和现场试验等。许多学者对渗流注浆理论进行了大量理论研究，并取得了一些重要成果。然而，理论研究和数值模拟都需要对工程地质条件和注浆方法进行简化，模拟结果与试验结果之间存在一定误差。另一方面，现场原位试验难以直接观察浆液在裂隙中的流动和分布情况，无法获取研究扩散规律所需的关键参数。
相比之下，室内模拟试验能较好地弥补上述研究方法的不足，更真实地模拟现场注浆条件，并获取注浆过程的相关参数。该方法引起了更多学者的兴趣，逐渐成为研究领域的热点。尽管以往研究在理解岩石裂隙中浆液扩散方面取得了显著进展，但现有可视化注浆试验系统仍存在两个主要局限性。第一，裂隙开度通常由透明刚性盖板固定，无法再现注浆压力下裂隙壁面的变形。第二，浆液压力和岩石变形通常不能同时测量，难以量化浆液渗流-岩体变形耦合效应（slurry seepage-rock mass deformation coupling effect，SRCE）。因此，裂隙变形对浆液压力分布、渗流阻力和扩散行为的反馈效应仍未被充分理解，尤其是在SRCE更为显著的小开度裂隙中。浆液在注浆压力作用下流入微裂隙岩体，裂隙两侧岩体在浆液压力作用下发生变形，浆液压力作为外部荷载作用于裂隙岩体。逐渐增大的裂隙开度可能再次改变岩石裂隙的渗透性，进而影响浆液流场和注浆效果。
为克服上述不足，充分考虑注浆过程中的SRCE，并实现浆液流场和岩体物理场的实时数据采集功能，研究人员开发了一套考虑SRCE的岩体裂隙可视化注浆模拟试验系统。该系统由浆液供给设备、注浆模拟设备和数据监测设备组成，可根据试验要求设计特定裂隙，模拟和观察不同参数下的浆液流动过程。该系统的主要创新点在于：（1）裂隙周围包裹透明软密封圈，同时保证密封性和可视化，并允许裂隙开度在注浆压力下发生变化；（2）弹簧加载的侧向加载边界，模拟围岩体的变形约束；（3）在多个位置同步监测浆液压力、裂隙变形和弹簧力。本文利用该系统模拟了浆液扩散过程，获取了浆液压力和岩石裂隙产生的变形。此外，总结了岩石裂隙中的浆液扩散规律，可为揭示浆液扩散机理和指导工程实践提供参考。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
国际能源署预测煤炭消费将在2030年前达到峰值。随着华北型煤田浅部资源枯竭，深部开采成为保障煤炭供应的重要途径。然而，深部煤系地层下部发育富水性强的石炭系灰岩含水层（Carboniferous limestone aquifer，CL）和奥陶系灰岩含水层（Ordovician limestone aquifer，OL），下组煤底板与含水层间距普遍不满足《煤矿防治水细则》（2018）要求，优质煤炭资源面临严重水害威胁。煤层底板含水层注浆改造技术是解决这一问题的有效手段，浆液在裂隙岩体中的扩散距离是评价注浆效果的关键指标。
现有注浆扩散研究方法包括理论研究、数值模拟和现场试验，但均存在局限：理论研究和数值模拟需对地质条件和注浆工艺进行简化，结果与试验存在偏差；现场原位试验难以直接观察浆液流动分布，关键参数获取困难。室内模拟试验能较好弥补上述不足，但现有可视化注浆系统仍有两项主要缺陷：一是裂隙开度通常由透明刚性盖板固定，无法再现注浆压力下裂隙壁面的变形；二是浆液压力与岩石变形未能同步测量，难以量化浆液渗流-岩体变形耦合效应（slurry seepage-rock mass deformation coupling effect，SRCE）。因此，裂隙变形对浆液压力分布、渗流阻力和扩散行为的反馈效应尚未被充分认识，尤其在小开度裂隙中SRCE更为显著。浆液在注浆压力作用下流入微裂隙岩体，裂隙两侧岩体在浆液压力作用下变形，开度增大又改变裂隙渗透性，进而影响浆液流场和注浆效果。
二、研究内容与主要结论
为克服上述不足，研究人员自主开发了一套考虑SRCE的岩体裂隙可视化注浆模拟试验系统，由浆液供给设备、注浆模拟设备和数据监测设备三部分组成。系统主要创新包括：采用透明软密封圈包裹裂隙，同时实现密封、可视化及裂隙开度在注浆压力下的动态变化；设置弹簧加载的侧向边界模拟围岩变形约束；在多个位置同步监测浆液压力、裂隙变形和弹簧力。该系统还可模拟二氧化碳、气体等物质在裂隙中的扩散规律，并可通过调整外框倾角实现不同倾角裂隙的注浆扩散试验。
通过单因素参数试验，系统研究了注浆流量、裂隙开度、水灰比（w/c）和侧向压力对SRCE的影响。研究得出以下主要结论：注浆流量对SRCE影响显著，裂隙单侧位移随流量增大而增大，入口处变形最大且随流量呈指数增长；裂隙开度增大削弱SRCE，小开度裂隙中SRCE更显著，大开度裂隙中可忽略；浆液沿程压力与监测位置呈负指数关系，入口附近压力衰减快，随距离增加衰减率减小；水灰比增大导致浆液黏度降低，SRCE程度减弱；侧向压力增大抑制裂隙变形，SRCE程度降低。灰色关联分析表明，各因素对SRCE的敏感性排序为：注浆流量＞裂隙开度＞水灰比＞侧向压力。
三、关键技术方法
研究人员开发了考虑SRCE的可视化变开度注浆试验系统，由浆液供给设备（空气压缩机、洁净空气组件、浆液储罐）、注浆模拟设备（试验腔体）和数据监测设备（数字流量计、压力变送器、位移传感器、压力传感器、数据采集卡、计算机）组成。试验腔体采用不锈钢框架，内部为尼龙板裂隙板，裂隙周围包裹透明热塑性密封圈实现密封与可视化，弹簧加载侧向边界模拟围岩约束，钢球嵌入底座减小摩擦。通过水渗流试验验证系统可靠性，试验结果与立方定律理论值基本一致。采用普通硅酸盐水泥（D50=20.2 μm，D90=70.1 μm）作为注浆材料，依据Mitchell公式判定其可注性。通过单因素参数试验，改变注浆流量（0.10-0.30 m3/h）、裂隙开度（2-7 mm）、水灰比（1.0-1.8）和侧向压力（4×60-4×100 N）开展系统研究。
四、研究结果
4.1 注浆流量对SRCE的影响
裂隙单侧位移与监测点呈线性关系，因尼龙板刚度高、弯曲变形可忽略。裂隙开度2 mm时，流量从0.1 m3/h增至0.3 m3/h，传感器1处单侧位移从0.36 mm增至11.35 mm，占初始开度的18%-567.5%；传感器4处从0.028 mm增至1.24 mm。裂隙开度7 mm时，传感器1处位移仅占初始开度的0.14%-7.86%，表明大开度裂隙中流量变化对SRCE影响不显著。浆液压力在入口处最大、出口处最小，与监测位置呈负指数关系。开度2 mm时，流量0.1 m3/h下压力从14.6 kPa降至4.1 kPa，流量0.3 m3/h下从26.9 kPa降至4.8 kPa；开度7 mm时压力损失显著减小。
4.2 裂隙开度对SRCE的影响
裂隙开度增大削弱SRCE。流量0.1 m3/h时，传感器1和4之间位移差随开度从2 mm增至7 mm，分别为0.332 mm、0.161 mm、0.078 mm、0.04 mm、0.015 mm和0.006 mm，占初始开度的16.6%、5.37%、1.95%、0.8%、0.25%和0.09%。流量0.3 m3/h时，位移差分别为10.11 mm、3.09 mm、1.37 mm、0.57 mm、0.34 mm和0.24 mm，占初始开度的505.5%、103%、34.3%、11.4%、5.7%和3.43%。不同开度裂隙在相同流量下，入口处浆液压力差异显著，出口处基本一致。
4.3 水灰比对SRCE的影响
水灰比增大导致浆液黏度降低，浆液在裂隙中的扩散阻力减小，浆液压力降低，裂隙单侧位移减小，SRCE程度减弱。高水灰比浆液流动性好，压力传递效率高，但作用于裂隙壁面的压力减小。
4.4 侧向压力对SRCE的影响
侧向压力增大抑制裂隙变形。弹簧力增大使裂隙板位移减小，裂隙开度变化幅度降低，SRCE程度减弱。侧向压力对裂隙入口附近位移的抑制作用更为明显。
4.5 灰色关联分析
灰色关联分析（grey correlation analysis）用于评价各因素对SRCE的敏感性。结果表明，注浆流量对SRCE影响最大，其次为裂隙开度、水灰比和侧向压力。注浆流量和裂隙开度是控制SRCE的关键参数，在工程注浆设计中应优先考虑。
五、讨论与结论
讨论部分指出，小开度裂隙中SRCE显著，浆液压力引起裂隙开度增大，开度增大又降低渗流阻力，形成正反馈机制，导致入口附近位移呈指数增长。大开度裂隙中SRCE可忽略，注浆设计可基于固定开度假设。水灰比和侧向压力通过改变浆液黏度和围岩约束影响SRCE程度。灰色关联分析为注浆参数优化提供了定量依据。
研究结论为：注浆流量是影响SRCE的最显著因素，小开度裂隙中SRCE显著，大开度裂隙中可忽略；浆液压力沿程呈负指数衰减，入口附近衰减最快；裂隙单侧位移与监测位置呈线性关系，入口处变形最大；水灰比增大和侧向压力增大均削弱SRCE。该试验系统为揭示裂隙注浆中浆液渗流与岩体变形耦合机理提供了有效平台，研究成果可为深部煤层底板含水层注浆改造工程设计提供理论指导。
