2024年6月4日发(作者：滕文星)

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从砂粒到溃砂灾害

作者：徐继山 隋旺华

来源：《科学》2015年第02期

关键词：砂 溃砂机制 颗粒流 地基失稳

砂遵循着小尺度粒子世界的基本原理。砂体内部力学平衡的打破会造成地表沉陷、砂土液

化、地基失稳等结构性破坏。尤其溃砂灾害，更是煤矿开采过程中至关重要的问题。

英国诗人布莱克（）有诗曰，“一沙一世界，一花一天堂”，一语道破了自然界的

精彩与奥妙。在岩土力学研究中，一块土、一滴水、一粒沙。绝非寥寥几笔可尽知其韵致的。

在自然法则这个伟大的指挥家面前，一粒粒砂（颗粒）或聚、或散、或连、或断，默默演绎着

沧海桑田、山川巨变，既带来了人类赖以生存和发展的空间、物质、能源等基础条件，同时也

不可避免地产生了许多灾变效应，如坍塌、塌陷、溃坝、地裂、滑坡等地质灾害，给人类生命

财产造成不可估量的损失。从地上看，这些现象千差万别。它的随机性好似自然随意施展的魔

术，看不出什么必然联系；而从地下看来，这些现象大都牵连着一粒粒砂的致灾效应——溃砂

机制。面对地表上下的千疮百孔，惊叹之余，不禁追问：是什么力量造成了它们变幻莫测的性

情？水焉、人焉、地焉？普利戈金告诉我们，越是在小尺度领域，粒子间的涨落越起着实质性

的作用。由砂、土、水、岩所造就的种种现象，也是由这些粒子所构成的。

砂之物

砂者，小石也。一般认为它是粒径在5毫米以下（通常为0.15～5毫米）的岩石颗粒——

这种简单的定义强调了砂的粒径范围，而忽略了砂的结构、粒间黏力和自身结合力。其实砂是

介于岩、土之间，具有相对较小的粒径，其黏结力远小于自身结合力的一种混杂而松散的物

质。从定义可以得出，砂不同于岩体和土体，它具有自身的特殊性，遵循着与众不同的法则。

砂信奉的是“尺度主义”，即大小决定胜负。衡量砂的性质主要有三个方面——渗透性、黏

聚性、流动性：渗透性是砂粒间通过水的能力，黏聚性表征砂粒作为整体存在的结合能力，流

动性反映砂粒在水的参与下从整体变成松散的能力。实际上，砂并非一盘散沙，它们是大小杂

陈、砂土相生的。为更客观地研究它们，笔者研究组利用试验方法将不同尺度、不同粒径（等

效成圆球状的砂粒直径）的砂粒进行比对研究。试验发现，砂土因具有一定的黏结力而呈现出

“渗漏自愈”的现象。根据这一现象，将滴水试验过程分为含泥砂段和清水段。结果显示，就泥

砂通过锥形口的流动性而言，粗砂

正所谓“吹尽黄沙始见金”，砂和土一样，它们都是一奶同胞——岩石风化的混合矿物，所

不同的只不过是颗粒形状和大小。矿物就是砂的基本单位，它们的性格就决定了砂的命运。作

为地质作用的产物，矿物也饱受地质作用的磨砺，在长期的“对抗”中，各自形成了保存实力的

法宝。

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阳刚派——原生矿物，它们由岩石母体直接解体而来，主要由石英、长石、云母类矿物组

成，也含有一定的角闪石、磁铁矿，这些矿物信奉的是“以刚砺强”，它们具有较强的抗水或抗

风化能力，因而能在漫长的风化作用下保持自身的本色。若这类矿物含量多，砂粒个性鲜明、

棱角突出，彼此之间空隙变大，又成为水、黏土等至柔之物的容身之所。

阴柔派——次生矿物，这一类矿物是原生矿物的进一步分化，它们走的是“以柔克刚”的路

线，遇水则解、遇风（化）则化。最常见的是黏土矿物、含水倍半氧化物和次生二氧化硅，如

高岭石、蒙脱石、伊利石。若砂粒中这类矿物增加，砂粒细而多，比表面积因此大大增加，相

互间的结合力会随着细粒数量和程度增加而变强。因而，相较原生者，它们对土体的工程地质

属性起着更为关键的作用。

原生和次生矿物的秉性何以有如此大的反差？原因在于矿物内部比纳米还小的晶格结构。

晶格是稳定而重复的原子排列模式，正是这小小的晶格，才如堆积木似地建造了砂粒的不同个

体。以石英和高岭石两种矿物晶格为例，石英晶格为正六面型，具有较高的晶格能，具有较强

硬度；而高岭石晶格明显具有层状结构，层间以水分子、钾离子等大型粒子连接，结合能力较

低，具有较小硬度。如果把砂粒比作戏台，石英级的大腕和黏土级的小演员，各自发挥不同作

用才能演绎出精彩好戏。

在某种特定的地质环境或地质历史条件下，砂会以相应的形式存在，一粒砂自形成之日

起，在风化、水蚀、化学等作用下，历经分解-搬运-沉积-压实等漫长过程，由砂粒聚成砂团，

由砂团聚为砂层，在夹缝中生存、在磨砺中演进，逐渐扩张着自身的势力。为了研究它们的集

结方式。笔者研究组用结构和构造进行区分：所谓结构，就是砂等颗粒之间相互排列和联结形

式，它反映了砂粒的局部沉积或受力状态：而构造是指砂作为整体与其他岩土介质相比呈现出

的关系特征，它反映了砂体的整体形成环境。也可以说，前者强调砂的沉积行为，后者强调沉

积作用。砂在沉积过程中，若只受到自重力，则自由地叠落在一起形成单粒结果：若在下沉过

程中又受到其他颗粒的分子吸引力作用，则形成蜂窝结构、絮状结构，主要见于比砂的粒径更

细（粒径

砂之力

砂是一种力学规则下的存在，稳定是力的平衡，而变化（如灾化）是力的平衡破缺。作为

深埋厚土之下的砂层，其形态、结构是稳定的，即使变化也是很缓慢的。砂粒承受着来自上覆

地层、内部的水以及自身这“三座大山”的压迫，它们在暗无天日的环境中寻找突破口以转移或

化解这种压力。在地动或采动作用下，天然的赋存场所出现垮塌或裂缝，形成砂体新的宣泄通

道，尽管这种裂缝通道有曲有直、有大有小、有疾有缓，但都受制于同一力学机制。可将其简

化成两种力学模型，即斜坡运动受力和垂向运动受力。细致分来，砂粒受到以下几种力的作

用。

浮重力

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重力和浮力是一对矛盾体，重力引导砂粒铅垂向下，而浮力托起砂粒向上，这一上一下的

矛盾组合就形成了浮重力。所谓浮重力，就是砂粒体所受到的重力减去水的浮力，也称为有效

重力。砂粒在水中所受到的浮重力=重力-浮力=体积×（砂的相对密度-水的相对密度）×重度。

这里重度是水的重度，即单位体积水的重力，单位为千牛/米

3

。假设砂的直径为3毫米，相对

密度取2.65，水的重度为9.8千牛/米

3

，如此便算出一粒砂的浮重力2.29×10

-7

千牛。一粒砂的

力量，可谓是九牛之一毛，但是砂体走的是集体主义路线，正是亿万个这样的渺小才成就了

大。

渗透力

砂与水是一对不可分的兄弟，所谓“抽刀断水水更流”，一方面说明了水的流动性，另一方

面也说明了水对所作用的物体具有黏滞性和惯性。黏滞性反映了微观粒子（如水分子对砂分

子）之间的连续的吸引力，而惯性表征的是水流速度对砂粒的阻动作用（即阻止砂粒存在于静

止状态，而变为相对运动），它们都是水流拖曳砂粒运动的力，故而放在一起研究。那么，如

何定量地表达它们？根据牛顿黏滞定律，流体对砂粒的黏滞力与接触面积、流速梯度等因素成

正比（由于砂粒颗粒极小，流速梯度可视为不变），这样就得到黏滞力=黏滞系数×截面积×流

速梯度。假设黏滞阻力系数为0.8×10

-3

帕·秒，一粒砂所受到的拖曳力大概为2.26×10

-8

牛。

阻动作用是由水流速度的变化而产生的惯性力，同样地，可以得到惯性阻力=阻力系数×流

体密度×流体加速度平方。阻动作用发生于水流变化的情况，即紊流状态。取水体流速为

0.6×10

-6

米/秒，得到惯性阻力大小为0.12×10

-20

牛，几乎可以忽略不计。渗透力其实就是由水

流作用于砂粒，使之在受力作用下能够通过裂隙的能力，它是黏滞拖曳力和惯性阻动力的叠

加。很容易看到，这种力与砂粒直径、流速、流体重度呈正相关。在水体性质一定的情况下，

颗粒越大，将受到更大的渗透作用；反之，颗粒越小，其渗透作用也越小。需要指出的是，更

大个头的颗粒想要“钻空子”。其对裂隙通道的要求也更为苛刻。

内摩擦力

砂粒不仅受到来自水体的力，还受到彼此之间的摩擦力和外界压力，它们彼此在靠近，虽

然“溃不成军”，同样具有一定的摩擦作用，以阻碍相邻的砂粒或下滑或沉落。从整体上来看，

这种阻碍似乎是一定压力环境下对单个砂体颗粒的作用——环境约束力，它取决于砂粒的密实

性、孔隙率和不均匀程度。显然，砂粒如果想要获取运动，则必须挣脱这种外在压力；另一束

缚来自内部砂粒之间的摩擦力，可表达为（环境约束力+内摩擦力）/裂缝尺寸。

从以上几种力的分析中可以看到。一粒砂要遵循多种游戏规则才能存在。这些力轻于鸿

毛，与高山、大川相比，微乎其微，但是正是这些渺小的力，才筑就了奇山大川。当然，对受

力的分析，只是人为在某种尺度上的量化，那些具体的颗粒选择什么样的方式则是不可预料

的，这就是颗粒流体力学的微观性、非线性和复杂性。不过，人类总可以选取更大一点的尺

度，来研究砂粒的整体行为。

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砂之溃

砂是岩的子女，是土的表亲，它虽没有岩石的挺拔俊秀，却和土体一起默默地“厚德载

物”。它含土、持力、藏水，其稳定与否对地表、地下结构体的稳定有着千丝万缕的联系。有

关砂体或砂层所造成的灾害表现为沉陷、液化、上喷、下陷、砂化等，尤其是溃砂现象，更是

煤矿开采过程中至关重要的问题。所谓溃砂，是指作为松散地层中的颗粒物质（单体或聚集

体）在自然（重力、压力、地震力等）或人为作用下，大规模通过孔隙通道，造成整体结构碎

散、流动、转移的灾害性结构破坏的过程。由于这一过程伴随着强烈的突砂、突水现象，涌入

矿井，一发而溃，造成生产中断。一粒（群）砂是如何造成地质灾害的呢？

溃砂条件

作为一种颗粒流体，砂兼具颗粒和流体两种独立而矛盾的介质属性——流动性和稳定性，

流动性的本质在于组成介质的不同质点可以自由地相对运动，而稳定性介质的质点却有着固定

的“座位”而不容易运动。如果将砂粒群体看作一个系统，它的来自于流体性质的大部分能量将

在这一系统中耗散，而只有一小部分可用于颗粒的可逆过程，即从流体到流体。砂的溃变。就

是在非可逆条件下的可逆过程的体现。

一般说来，溃砂现象的形成要具备四个条件：颗粒物源、上覆水头、裂隙通道和可容纳空

间。颗粒物源是溃砂成分的主体，其成分、性质及厚度，对溃砂量、灾害程度起着根本作用。

水在这过程中并不甘心做一配角，它对砂粒的启动、运移等行为模式起着诱导作用。具备了物

源、水头等因素，还不足以构成砂从稳定内耗的状态转向流动状态，还需要一定的通道——地

层中的裂隙。这些裂隙可以是地层中天然发育着的裂隙，如岩石节理、破裂、风化裂隙，也可

以是人为深部采掘活动对上部地层的扰动裂缝。裂隙通道是连接松散层和采掘层的中介，它在

溃砂过程中发挥着中介作用。最后一个因素是可容纳空间，如采煤工作面（巷道），是该过程

的空间条件，决定了水砂涌出体的最终归宿。

溃砂试验

为更好地重现和控制溃砂过程，笔者研究组设计并搭建了试验平台。试验平台的主体为渗

透仪，在它的外部通过进水控制阀与置于一定高度的水箱相连，从而可以控制渗透仪内部水量

和水速；在渗透仪的内部充满了密实砂粒，它们被水浸润而达到饱和状态；仪器底部为带孔的

模板，用以模拟地层中的裂隙通道；砂粒体在一定水压条件下，从仪器内通过孔隙和出砂口溃

人到预先放置的量筒内。利用试验手段，对砂粒直径、水头、裂缝宽度这三个主要因素，确定

两个因素、改变其中一个，进行组合试验，可以获取它们之间的关系曲线。

试验的目的在于解答几个问题：一是临界裂隙宽度——对于一定粒径的砂粒而言，它可以

在多大的裂隙中自由通过？二是大小不同的砂粒，何者更为容易通过一定裂隙通道？三是若不

断改变裂隙尺寸，一定粒径的砂粒的溃泄行为有什么变化？四是控制水头（水的位能），水头

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高低对溃砂量有何影响？试验设置的目的在于解答实际问题，在对试验的观察与分析中，可以

看到现实观察不到的现象。

首先，将仪器装满2-5毫米粒径的砂粒，孔隙大小从2毫米开始逐渐增大并记录观察现

象。可以发现，砂粒溃泄时孔隙的尺寸为15毫米，而在同粒径尺寸的孔隙宽度下并没无异

样。利用X射线照相技术，看到砂粒在临界尺寸孔隙入口发生的“拱桥”现象，它们像建筑师完

成一项工程一样，造出了砂粒“拱桥”。这说明砂粒的泻落并不是单体行为，它们在摩擦力的作

用下“抱团”。以抵御下落造成的状态失稳。反复试验表明，临界裂隙宽度与砂粒粒径的比值大

约为1.5。

其次，在相同裂隙宽度下，通过观察不同粒径砂粒溃砂量随时间的变化关系可以发现，大

小粒径的溃泄行为均有不同程度的波峰曲线，即随着试验进程溃砂量由低到高、最终又回落现

象。相比之下，粒径越大，砂粒越能保持自身的性质而不会“受制于人”。其曲线也越平滑；粒

径越小，砂粒就越容易受到环境条件的扰动，而呈现出更为“涨落”的曲线。这就像不同的颗粒

在泻落过程中驾着野马，能力大者能更好地驾驭，而能力弱者则受到更大颠簸。

第三，将同一粒径的砂粒置于宽度不同的裂隙孔之上，观察其溃砂量变化。试验表明，随

着裂缝宽度的增加，溃砂量的峰值提前，对于粒径较小者这一现象更为明显。这说明，在砂粒

尺度的世界里，尺度是相对的，增加裂缝宽度或降低粒径在某种程度上是等效的，这就是溃砂

现象的相对性。

最后，通过改变水头进行同样的试验，可以发现，随着水头的增加，不同粒径的砂粒其溃

砂量将会增加，这已在煤矿实践中印证——含水层水头越高，越将不利于煤炭开采。

溃砂机理

通过以上分析，可以对溃砂机理进行一个简要的概括：处于松散地层中的砂体以相对稳定

的赋存状态存在——这是一个由颗粒流体构成的非可逆复杂体系，其来自外界的力或能量大部

分在其内部耗散，通过维持结构的方式，各个质点（砂粒）不断调整自身以寻找合适的方式适

应新的平衡。可以看到，砂是依赖于边界条件的存在。在边界条件被破坏足以波及砂体时，如

破裂、震动等，将打破这种力的平衡，使局部砂体以一种物质转化、转移的方式化解失衡带来

的结构改变。于是，砂粒在重力或水压力作用下，通过裂隙通道溃泄下来，并在一定空间内发

生堆积。砂体所在地层的改变同样会波及其他地层，引起连锁反应，从而造成地表裂缝、塌

陷、错动等现象。

从这一机理的阐释中，还能得出这样的认识：砂粒遵循着微观性原理和相对性原理，其相

对尺度的大小决定了砂粒的性质，相对于观察主体——人来说，更加趋向于流体性质，而远离

更大尺寸物质（如岩块、岩层）。人对对象的观察是一种相对观察，微观或宏观的对象对人来

说是一种观察错觉。用宏观世界得出的基本原理解释微观世界是无限逼近，而非等于本质的。

正因为砂粒的世界满是神秘和疑问，才愈加显露出科学魅力！

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2024年6月4日发(作者：滕文星)

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从砂粒到溃砂灾害

作者：徐继山 隋旺华

来源：《科学》2015年第02期

关键词：砂 溃砂机制 颗粒流 地基失稳

砂遵循着小尺度粒子世界的基本原理。砂体内部力学平衡的打破会造成地表沉陷、砂土液

化、地基失稳等结构性破坏。尤其溃砂灾害，更是煤矿开采过程中至关重要的问题。

英国诗人布莱克（）有诗曰，“一沙一世界，一花一天堂”，一语道破了自然界的

精彩与奥妙。在岩土力学研究中，一块土、一滴水、一粒沙。绝非寥寥几笔可尽知其韵致的。

在自然法则这个伟大的指挥家面前，一粒粒砂（颗粒）或聚、或散、或连、或断，默默演绎着

沧海桑田、山川巨变，既带来了人类赖以生存和发展的空间、物质、能源等基础条件，同时也

不可避免地产生了许多灾变效应，如坍塌、塌陷、溃坝、地裂、滑坡等地质灾害，给人类生命

财产造成不可估量的损失。从地上看，这些现象千差万别。它的随机性好似自然随意施展的魔

术，看不出什么必然联系；而从地下看来，这些现象大都牵连着一粒粒砂的致灾效应——溃砂

机制。面对地表上下的千疮百孔，惊叹之余，不禁追问：是什么力量造成了它们变幻莫测的性

情？水焉、人焉、地焉？普利戈金告诉我们，越是在小尺度领域，粒子间的涨落越起着实质性

的作用。由砂、土、水、岩所造就的种种现象，也是由这些粒子所构成的。

砂之物

砂者，小石也。一般认为它是粒径在5毫米以下（通常为0.15～5毫米）的岩石颗粒——

这种简单的定义强调了砂的粒径范围，而忽略了砂的结构、粒间黏力和自身结合力。其实砂是

介于岩、土之间，具有相对较小的粒径，其黏结力远小于自身结合力的一种混杂而松散的物

质。从定义可以得出，砂不同于岩体和土体，它具有自身的特殊性，遵循着与众不同的法则。

砂信奉的是“尺度主义”，即大小决定胜负。衡量砂的性质主要有三个方面——渗透性、黏

聚性、流动性：渗透性是砂粒间通过水的能力，黏聚性表征砂粒作为整体存在的结合能力，流

动性反映砂粒在水的参与下从整体变成松散的能力。实际上，砂并非一盘散沙，它们是大小杂

陈、砂土相生的。为更客观地研究它们，笔者研究组利用试验方法将不同尺度、不同粒径（等

效成圆球状的砂粒直径）的砂粒进行比对研究。试验发现，砂土因具有一定的黏结力而呈现出

“渗漏自愈”的现象。根据这一现象，将滴水试验过程分为含泥砂段和清水段。结果显示，就泥

砂通过锥形口的流动性而言，粗砂

正所谓“吹尽黄沙始见金”，砂和土一样，它们都是一奶同胞——岩石风化的混合矿物，所

不同的只不过是颗粒形状和大小。矿物就是砂的基本单位，它们的性格就决定了砂的命运。作

为地质作用的产物，矿物也饱受地质作用的磨砺，在长期的“对抗”中，各自形成了保存实力的

法宝。

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阳刚派——原生矿物，它们由岩石母体直接解体而来，主要由石英、长石、云母类矿物组

成，也含有一定的角闪石、磁铁矿，这些矿物信奉的是“以刚砺强”，它们具有较强的抗水或抗

风化能力，因而能在漫长的风化作用下保持自身的本色。若这类矿物含量多，砂粒个性鲜明、

棱角突出，彼此之间空隙变大，又成为水、黏土等至柔之物的容身之所。

阴柔派——次生矿物，这一类矿物是原生矿物的进一步分化，它们走的是“以柔克刚”的路

线，遇水则解、遇风（化）则化。最常见的是黏土矿物、含水倍半氧化物和次生二氧化硅，如

高岭石、蒙脱石、伊利石。若砂粒中这类矿物增加，砂粒细而多，比表面积因此大大增加，相

互间的结合力会随着细粒数量和程度增加而变强。因而，相较原生者，它们对土体的工程地质

属性起着更为关键的作用。

原生和次生矿物的秉性何以有如此大的反差？原因在于矿物内部比纳米还小的晶格结构。

晶格是稳定而重复的原子排列模式，正是这小小的晶格，才如堆积木似地建造了砂粒的不同个

体。以石英和高岭石两种矿物晶格为例，石英晶格为正六面型，具有较高的晶格能，具有较强

硬度；而高岭石晶格明显具有层状结构，层间以水分子、钾离子等大型粒子连接，结合能力较

低，具有较小硬度。如果把砂粒比作戏台，石英级的大腕和黏土级的小演员，各自发挥不同作

用才能演绎出精彩好戏。

在某种特定的地质环境或地质历史条件下，砂会以相应的形式存在，一粒砂自形成之日

起，在风化、水蚀、化学等作用下，历经分解-搬运-沉积-压实等漫长过程，由砂粒聚成砂团，

由砂团聚为砂层，在夹缝中生存、在磨砺中演进，逐渐扩张着自身的势力。为了研究它们的集

结方式。笔者研究组用结构和构造进行区分：所谓结构，就是砂等颗粒之间相互排列和联结形

式，它反映了砂粒的局部沉积或受力状态：而构造是指砂作为整体与其他岩土介质相比呈现出

的关系特征，它反映了砂体的整体形成环境。也可以说，前者强调砂的沉积行为，后者强调沉

积作用。砂在沉积过程中，若只受到自重力，则自由地叠落在一起形成单粒结果：若在下沉过

程中又受到其他颗粒的分子吸引力作用，则形成蜂窝结构、絮状结构，主要见于比砂的粒径更

细（粒径

砂之力

砂是一种力学规则下的存在，稳定是力的平衡，而变化（如灾化）是力的平衡破缺。作为

深埋厚土之下的砂层，其形态、结构是稳定的，即使变化也是很缓慢的。砂粒承受着来自上覆

地层、内部的水以及自身这“三座大山”的压迫，它们在暗无天日的环境中寻找突破口以转移或

化解这种压力。在地动或采动作用下，天然的赋存场所出现垮塌或裂缝，形成砂体新的宣泄通

道，尽管这种裂缝通道有曲有直、有大有小、有疾有缓，但都受制于同一力学机制。可将其简

化成两种力学模型，即斜坡运动受力和垂向运动受力。细致分来，砂粒受到以下几种力的作

用。

浮重力

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重力和浮力是一对矛盾体，重力引导砂粒铅垂向下，而浮力托起砂粒向上，这一上一下的

矛盾组合就形成了浮重力。所谓浮重力，就是砂粒体所受到的重力减去水的浮力，也称为有效

重力。砂粒在水中所受到的浮重力=重力-浮力=体积×（砂的相对密度-水的相对密度）×重度。

这里重度是水的重度，即单位体积水的重力，单位为千牛/米

3

。假设砂的直径为3毫米，相对

密度取2.65，水的重度为9.8千牛/米

3

，如此便算出一粒砂的浮重力2.29×10

-7

千牛。一粒砂的

力量，可谓是九牛之一毛，但是砂体走的是集体主义路线，正是亿万个这样的渺小才成就了

大。

渗透力

砂与水是一对不可分的兄弟，所谓“抽刀断水水更流”，一方面说明了水的流动性，另一方

面也说明了水对所作用的物体具有黏滞性和惯性。黏滞性反映了微观粒子（如水分子对砂分

子）之间的连续的吸引力，而惯性表征的是水流速度对砂粒的阻动作用（即阻止砂粒存在于静

止状态，而变为相对运动），它们都是水流拖曳砂粒运动的力，故而放在一起研究。那么，如

何定量地表达它们？根据牛顿黏滞定律，流体对砂粒的黏滞力与接触面积、流速梯度等因素成

正比（由于砂粒颗粒极小，流速梯度可视为不变），这样就得到黏滞力=黏滞系数×截面积×流

速梯度。假设黏滞阻力系数为0.8×10

-3

帕·秒，一粒砂所受到的拖曳力大概为2.26×10

-8

牛。

阻动作用是由水流速度的变化而产生的惯性力，同样地，可以得到惯性阻力=阻力系数×流

体密度×流体加速度平方。阻动作用发生于水流变化的情况，即紊流状态。取水体流速为

0.6×10

-6

米/秒，得到惯性阻力大小为0.12×10

-20

牛，几乎可以忽略不计。渗透力其实就是由水

流作用于砂粒，使之在受力作用下能够通过裂隙的能力，它是黏滞拖曳力和惯性阻动力的叠

加。很容易看到，这种力与砂粒直径、流速、流体重度呈正相关。在水体性质一定的情况下，

颗粒越大，将受到更大的渗透作用；反之，颗粒越小，其渗透作用也越小。需要指出的是，更

大个头的颗粒想要“钻空子”。其对裂隙通道的要求也更为苛刻。

内摩擦力

砂粒不仅受到来自水体的力，还受到彼此之间的摩擦力和外界压力，它们彼此在靠近，虽

然“溃不成军”，同样具有一定的摩擦作用，以阻碍相邻的砂粒或下滑或沉落。从整体上来看，

这种阻碍似乎是一定压力环境下对单个砂体颗粒的作用——环境约束力，它取决于砂粒的密实

性、孔隙率和不均匀程度。显然，砂粒如果想要获取运动，则必须挣脱这种外在压力；另一束

缚来自内部砂粒之间的摩擦力，可表达为（环境约束力+内摩擦力）/裂缝尺寸。

从以上几种力的分析中可以看到。一粒砂要遵循多种游戏规则才能存在。这些力轻于鸿

毛，与高山、大川相比，微乎其微，但是正是这些渺小的力，才筑就了奇山大川。当然，对受

力的分析，只是人为在某种尺度上的量化，那些具体的颗粒选择什么样的方式则是不可预料

的，这就是颗粒流体力学的微观性、非线性和复杂性。不过，人类总可以选取更大一点的尺

度，来研究砂粒的整体行为。

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砂之溃

砂是岩的子女，是土的表亲，它虽没有岩石的挺拔俊秀，却和土体一起默默地“厚德载

物”。它含土、持力、藏水，其稳定与否对地表、地下结构体的稳定有着千丝万缕的联系。有

关砂体或砂层所造成的灾害表现为沉陷、液化、上喷、下陷、砂化等，尤其是溃砂现象，更是

煤矿开采过程中至关重要的问题。所谓溃砂，是指作为松散地层中的颗粒物质（单体或聚集

体）在自然（重力、压力、地震力等）或人为作用下，大规模通过孔隙通道，造成整体结构碎

散、流动、转移的灾害性结构破坏的过程。由于这一过程伴随着强烈的突砂、突水现象，涌入

矿井，一发而溃，造成生产中断。一粒（群）砂是如何造成地质灾害的呢？

溃砂条件

作为一种颗粒流体，砂兼具颗粒和流体两种独立而矛盾的介质属性——流动性和稳定性，

流动性的本质在于组成介质的不同质点可以自由地相对运动，而稳定性介质的质点却有着固定

的“座位”而不容易运动。如果将砂粒群体看作一个系统，它的来自于流体性质的大部分能量将

在这一系统中耗散，而只有一小部分可用于颗粒的可逆过程，即从流体到流体。砂的溃变。就

是在非可逆条件下的可逆过程的体现。

一般说来，溃砂现象的形成要具备四个条件：颗粒物源、上覆水头、裂隙通道和可容纳空

间。颗粒物源是溃砂成分的主体，其成分、性质及厚度，对溃砂量、灾害程度起着根本作用。

水在这过程中并不甘心做一配角，它对砂粒的启动、运移等行为模式起着诱导作用。具备了物

源、水头等因素，还不足以构成砂从稳定内耗的状态转向流动状态，还需要一定的通道——地

层中的裂隙。这些裂隙可以是地层中天然发育着的裂隙，如岩石节理、破裂、风化裂隙，也可

以是人为深部采掘活动对上部地层的扰动裂缝。裂隙通道是连接松散层和采掘层的中介，它在

溃砂过程中发挥着中介作用。最后一个因素是可容纳空间，如采煤工作面（巷道），是该过程

的空间条件，决定了水砂涌出体的最终归宿。

溃砂试验

为更好地重现和控制溃砂过程，笔者研究组设计并搭建了试验平台。试验平台的主体为渗

透仪，在它的外部通过进水控制阀与置于一定高度的水箱相连，从而可以控制渗透仪内部水量

和水速；在渗透仪的内部充满了密实砂粒，它们被水浸润而达到饱和状态；仪器底部为带孔的

模板，用以模拟地层中的裂隙通道；砂粒体在一定水压条件下，从仪器内通过孔隙和出砂口溃

人到预先放置的量筒内。利用试验手段，对砂粒直径、水头、裂缝宽度这三个主要因素，确定

两个因素、改变其中一个，进行组合试验，可以获取它们之间的关系曲线。

试验的目的在于解答几个问题：一是临界裂隙宽度——对于一定粒径的砂粒而言，它可以

在多大的裂隙中自由通过？二是大小不同的砂粒，何者更为容易通过一定裂隙通道？三是若不

断改变裂隙尺寸，一定粒径的砂粒的溃泄行为有什么变化？四是控制水头（水的位能），水头

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高低对溃砂量有何影响？试验设置的目的在于解答实际问题，在对试验的观察与分析中，可以

看到现实观察不到的现象。

首先，将仪器装满2-5毫米粒径的砂粒，孔隙大小从2毫米开始逐渐增大并记录观察现

象。可以发现，砂粒溃泄时孔隙的尺寸为15毫米，而在同粒径尺寸的孔隙宽度下并没无异

样。利用X射线照相技术，看到砂粒在临界尺寸孔隙入口发生的“拱桥”现象，它们像建筑师完

成一项工程一样，造出了砂粒“拱桥”。这说明砂粒的泻落并不是单体行为，它们在摩擦力的作

用下“抱团”。以抵御下落造成的状态失稳。反复试验表明，临界裂隙宽度与砂粒粒径的比值大

约为1.5。

其次，在相同裂隙宽度下，通过观察不同粒径砂粒溃砂量随时间的变化关系可以发现，大

小粒径的溃泄行为均有不同程度的波峰曲线，即随着试验进程溃砂量由低到高、最终又回落现

象。相比之下，粒径越大，砂粒越能保持自身的性质而不会“受制于人”。其曲线也越平滑；粒

径越小，砂粒就越容易受到环境条件的扰动，而呈现出更为“涨落”的曲线。这就像不同的颗粒

在泻落过程中驾着野马，能力大者能更好地驾驭，而能力弱者则受到更大颠簸。

第三，将同一粒径的砂粒置于宽度不同的裂隙孔之上，观察其溃砂量变化。试验表明，随

着裂缝宽度的增加，溃砂量的峰值提前，对于粒径较小者这一现象更为明显。这说明，在砂粒

尺度的世界里，尺度是相对的，增加裂缝宽度或降低粒径在某种程度上是等效的，这就是溃砂

现象的相对性。

最后，通过改变水头进行同样的试验，可以发现，随着水头的增加，不同粒径的砂粒其溃

砂量将会增加，这已在煤矿实践中印证——含水层水头越高，越将不利于煤炭开采。

溃砂机理

通过以上分析，可以对溃砂机理进行一个简要的概括：处于松散地层中的砂体以相对稳定

的赋存状态存在——这是一个由颗粒流体构成的非可逆复杂体系，其来自外界的力或能量大部

分在其内部耗散，通过维持结构的方式，各个质点（砂粒）不断调整自身以寻找合适的方式适

应新的平衡。可以看到，砂是依赖于边界条件的存在。在边界条件被破坏足以波及砂体时，如

破裂、震动等，将打破这种力的平衡，使局部砂体以一种物质转化、转移的方式化解失衡带来

的结构改变。于是，砂粒在重力或水压力作用下，通过裂隙通道溃泄下来，并在一定空间内发

生堆积。砂体所在地层的改变同样会波及其他地层，引起连锁反应，从而造成地表裂缝、塌

陷、错动等现象。

从这一机理的阐释中，还能得出这样的认识：砂粒遵循着微观性原理和相对性原理，其相

对尺度的大小决定了砂粒的性质，相对于观察主体——人来说，更加趋向于流体性质，而远离

更大尺寸物质（如岩块、岩层）。人对对象的观察是一种相对观察，微观或宏观的对象对人来

说是一种观察错觉。用宏观世界得出的基本原理解释微观世界是无限逼近，而非等于本质的。

正因为砂粒的世界满是神秘和疑问，才愈加显露出科学魅力！

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