三维裂隙网络岩体动水注浆扩散及封堵机理研究

Water inrush disaster has caused serious economic losses and casualties for underground construction, and the safe prediction of underground engineering, prevention and control of water inrush is an important way to protect and rationally utilize underground space resources. The geological conditions of the underground engineering are complex and concealed. The grouting technology is to utilize the characteristics of the fractures in the rock mass to effectively block the main water-conducting fractures and achieve the purpose of water control and water isolation. In this proposal, a 3D fracture network rock mass model is developed and the fracture network grouting with flowing water test platform is also set up. The diffusion, solidification and sealing mechanism of time-varying slurry in the 3D fracture rock mass are investigated. According to the influence degree of different factors on the diffusion characteristics, an uncertain model of the slurry diffusion is established. This study reveals the dynamic evolution characteristics of the diffusion of the time-varying slurry in the fracture network. The sealing mechanism of grouting with flowing water is clarified, and the influencing factors of significant changes in the water blocking rate is identified. It lays a scientific foundation for optimizing grouting engineering design, improving grouting sealing effect and evaluating grouting performance, and provides theoretical support for underground engineering construction and prevention of water inrush disasters.

地下工程建设突水灾害经常造成严重的经济损失和人员伤亡，开展地下工程建设安全预测、防治突水灾害，是保护和合理开发利用地下空间资源的重要保障。地下工程地质条件复杂且具有隐蔽性，注浆技术利用岩体中裂隙的存在特征，实现有效封堵主要导水裂隙，达到控水、隔离水的目的。本项目在建立三维裂隙网络岩体模型的基础上，利用裂隙网络动水注浆试验平台，开展三维裂隙网络岩体动水注浆粘时变浆液扩散、凝固及封堵规律的研究，根据不同因素对扩散规律的影响程度，建立浆液扩散的不确定模型，揭示粘时变浆液在裂隙网络中扩散的动态演化特征，阐明动水注浆封堵机理，识别堵水率发生显著变化的影响因素，为优化注浆工程设计、提高注浆封堵效果和注浆性能评价奠定科学基础，为地下工程建设以及突水灾害防治提供理论支撑。

我国面临严重的地下工程突水灾害，裂隙岩体注浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性，了解实际工程地质条件中裂隙的分布特征，建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维裂隙网络模型，开展三维裂隙网络岩体动水注浆浆液扩散规律、建立注浆封堵效果判据是注浆工程中的关键问题，是优化注浆工程设计、提高注浆封堵效果和注浆性能评价的关键，是地下工程建设以及突水灾害防治的重点和难点。本项目综合运用室内模型试验和理论分析方法，建立了可视化的裂隙网络岩体注浆试验系统，进行裂隙岩体动水注浆浆液扩散机理和规律研究，分析了动水条件、和裂隙网络形态对浆液扩散、注浆压力、裂隙渗流压力和注浆堵水效果的影响规律，取得的主要成果如下：（1）岩体裂隙结构发育特征及突水溃砂灾害影响因素分析，研究了围压对裂隙岩体渗透特性的影响。选择不同围压（3 MPa、5 MPa和7 MPa）条件，利用GDS高压环境三轴试验仪对现场采集的岩石样品进行渗透试验。结果表明，完整和剪切角砾岩样品的渗透流量随围压增加均降低。（2）分析了注浆裂隙岩体的三维结构特征，确定裂隙与浆液间的相互作用关系，获得裂隙岩体三维结构模型。（3）研制了三维裂隙网络动水注浆多场耦合试验系统，分析顺水流和逆水流方向浆液前缘的扩散距离、浆液充填率、堵水率、不同监测点压力变化等参数，进行三维裂隙网络岩体动水注浆的粘时变浆液扩散规律的试验和模拟研究，获得浆液扩散的动态演化模型。（4）确定浆液扩散距离及堵水率变化范围，建立三维裂隙网络注浆的封堵判据，将实际工程的各项参数用于获得的模型和判据，并进行工程验证。本项目研究成果能够对复杂地质环境下注浆工程的注浆封堵效果起到理论支撑和预测作用，并且能够对粘时变浆液在三维裂隙网络岩体中的扩散机理和注浆封堵演化过程的研究起到重要的促进作用。