破碎岩体水沙两相渗透特性研究进展

为了研究西部矿区浅埋煤层采动破碎岩体诱发的突水溃沙灾害机理,根据两相流相关理论,分析了破碎岩体水沙两相渗流的特征及适用理论模型,提出了破碎岩体水沙两相渗流主要渗透特性参量,研究了破碎岩体水沙两相渗透特性参数的提取方法及不同粒径破碎岩体渗透特性参数变化规律。研究结果表明:(1)破碎岩体水沙两相渗流为典型的非Darcy渗流、非Newton流体,适宜采用双流体连续介质模型;(2)破碎岩体水沙两相渗流特性主要参数为流度、非Darcy流β因子和加速度系数;(3)在沙相压力梯度构造时间序列和渗流速度时间序列基础上,结合数值分析等方法可以有效提取水沙两相渗透特性参数;(4)随着破碎岩体粒径增大,水沙两相非Darcy流β因子和加速度系数随之减小,流度随之增加。     

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。     

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。     

裂隙液固两相流的数值模拟

根据采动岩体渗流力学的观点,矿井突水溃沙是液固两相流失稳的体现。基于CFX数值模拟软件建立裂隙水沙两相流数值模型,通过模拟与分析得到裂隙尺寸、沙颗粒直径和液相流速对压力梯度、时均速度分布和湍动能的影响规律。     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

西部矿区突水溃沙类型及机理研究

突水溃沙灾害是西部浅埋煤层开采常见问题之一,对矿井安全生产和当地脆弱的生态环境都有着极其不利的影响。在分析西部矿区突水溃沙主要类型的基础上,通过自主研制多孔介质水沙两相渗流试验系统,从多孔介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3个方面对突水溃沙的机理进行了研究。结果表明:西部矿区突水溃沙主要类型可以分为切落裂缝型、冒落型、钻孔诱发型3类;孔隙度对发生突水溃沙灾害的影响与破碎岩石粒径有着密切关系,随着破碎岩石粒径增大,孔隙度改变对压力梯度和沙粒流失量的影响程度将降低。沙粒流失量随孔隙度的降低而减少,低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低;同一孔隙度和沙粒粒径条件下,含水层砾石颗粒越小,发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大,沙粒流失量也越小,越不容易发生突水溃沙灾害;同一孔隙度条件下,0.074~0.25 mm的细砂较之0.25~0.83 mm的中砂或者粗沙更易发生突水溃沙灾害,其所需的启动压力也较小,随着破碎岩石粒径增大,其沙粒流失量呈非线性显著增加。     

断层物质级配特征对渗流状态和非Darcy渗流参数影响研究

预防断层突水引发的矿井灾害至关重要。该文针对这一问题利用一维非Darcy渗流试验系统和数值仿真软件COMSOL研究断层物质级配特征对非Darcy渗流参数的影响规律,分析了产生非Darcy流的临界条件,揭示了断层突水机制,为预防突水灾害提供了理论基础。研究结果表明:断层物质的级配特征对非Darcy渗流参数会产生重要影响,试样中颗粒尺寸越大或粗颗粒占比越大,介质渗透率和非Darcy影响因子越大;当混合试样中粗颗粒占比达到75%以上时,在一定渗流速度下会产生质量流失,这是引发突水的重要原因;在颗粒粒径大于0. 5mm的单一试样或粒径大于0. 5mm的颗粒占到20%以上的混合试样中,当渗流速度大于0. 03m/s时会产生非Darcy流。考虑断层物质颗粒的级配关系对研究矿山突水问题具有非常重要的现实意义。     

煤矸石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

利用自行设计的岩石渗透试验系统,采用稳态渗透法测试了10件标准煤矸石试样非Darcy渗流时的渗透特性。通过最小二乘法对渗流速度和压力梯度进行回归分析,得到煤矸石的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率和非Darcy流β因子。研究结果可为工程中煤矸石做充填材料提供参考。     

含裂隙茅口灰岩渗透特性的试验研究

为了分析不同载荷作用下茅口灰岩的渗流规律,采用MTS多功能岩石力学试验系统对岩样进行定轴压、变围压作用下的渗透特性试验研究,利用瞬态渗透法测试茅口灰岩的渗流特性,采用孔隙压力差单一时间序列,计算出非Darcy流的渗透参数(渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数)。研究结果如下:茅口灰岩的裂隙流具有非Darcy效应;在定轴压作用下,随着围压的不断增大,岩样的渗透率不断减小,并趋于平缓;岩样的渗透系数与体积应力呈指数衰减关系,当体积应力较小时,岩体的渗透系数受体积应力作用较为敏感,而当体积应力较大时,对渗透性的影响敏感性降低;渗透系数、体积应力与渗透压差之间满足指数关系;当体积应力从14 MPa增加到32 MPa过程中,非Darcy流β因子在0附近波动,加速度系数在50×10-20m-1附近波动。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

陕北浅埋煤层砂土基型矿区保水开采方法研究

在浅埋煤层砂土基型矿区实现保水开采,关键在于煤层开采后含水层和导水裂隙带之间有达到厚度要求的隔水保护层.采用开采损害学中的地表移动变形和采动岩体内部移动变形预计的方法,考虑覆岩中隔水黏土层的膨胀性计算浅埋煤层砂土基型矿区开采后隔水土层中裂隙的破坏深度,同时借鉴相似模拟实验确定导水裂隙带的发育高度,最后计算采高不同时2种裂隙之间的隔水保护层厚度,如果隔水保护层厚度满足规定要求就可以实现保水开采,从而确定砂土基型矿区保水开采的合理开采方法.以榆树湾煤矿20102上工作面开采为例,计算结果表明:5m分层开采可以实现保水开采,放顶煤一次采全高不能实现保水开采.现场开采实践和相似模拟实验验证了该方法的正确性.     

破碎岩石渗流特性及其应用研究

根据采空区岩石的特征,制配破碎岩石岩样,利用MTS815.02岩石力学伺服试验系统及渗透仪完成了破碎岩石的渗流试验,利用1stOpt(First Optimization)软件分别对渗透率和非达西流因子与孔隙率、粒径的关系进行了二元统计分析,分别给出了三者之间的关系式。研究表明,渗透率与孔隙率呈幂次关系,相同孔隙率下,渗透率受粒径影响。根据采空区孔隙率分布情况和试验结果,推出采空区渗透率和非达西流因子的表达式,用VB编程并利用Tecplot9.0软件对数据进行处理,给出了采空区渗透率和非达西流因子的分布图。这对采空区漏风及自燃发火的防治研究具有重要的意义。     

应力恢复对采动裂隙岩体渗透性演化的影响

研究了采动岩体应力恢复对断裂带渗透性的影响并将其应用于分层开采和残煤复采导水断裂带的计算。通过试验对侧限作用下裂隙岩体在轴向分级加载条件下渗流变化规律进行了研究,以模拟应力恢复作用对裂隙岩体渗透性的影响;依据实测的采动裂隙岩体体积膨胀系数的对数分布规律,对采动裂隙岩体渗透性分布规律进行了描述,计算了应力恢复作用下,裂隙岩体内裂隙开度及渗透性演化规律。试验结果表明:轴向加载条件下裂隙模块开度及渗透性均显著下降,加载初期应力较小但其对裂隙模块的开度及渗透性影响更显著,后期应力增大但其对裂隙试块的渗透性影响程度降低,在20 MPa压力作用下裂隙很难完全闭合;理论计算结果表明:应力恢复作用下采空区上覆裂隙岩体内下部大开度裂隙渗透性有降低但仍为较好的导水通道,上部裂隙开度较小层段渗透性也有明显降低。根据水利水电工程地质勘查规范将渗透系数小于0.01 m/d的层段视为不透水层,采空区上覆导水断裂带最大高度在应力恢复后较初始实测最大值减小了约26%。依据研究结果对传统的分层开采覆岩导水断裂带高度计算公式进行了修正,采用修正公式计算下分层煤或残煤开采防水(砂)煤柱的留设方案更为合理。     

小纪汗井田地层介质渗透特性及煤层为主含水层成因机制

以陕北榆横矿区特殊地质背景为基础,通过瞬态渗透试验研究小纪汗煤矿煤系地层的渗透力学特性,基于采集的岩样两端孔隙压差时间序列,通过差分得到渗流速度及其变化率的时间序列,基于最小二乘法计算得到了各层岩样在不同围压下全应力应变过程中的渗透率、非达西流因子及加速度系数,比较了不同岩层的最大渗透率及最小渗透率。研究表明：① 随着压缩应变的增加,煤样应力峰值滞后于渗透率峰值;② 应力峰后阶段,煤样非达西流因子及加速度系数先急剧增加后显著下降,两者峰值滞后于应力峰值;③ 洛河组中粒长石砂岩与2号煤层岩样峰后的最高渗透率显著高于其他岩层;④ 煤样的渗透率峰后约为1×10-15 m2量级,普遍高于一般煤矿煤层的渗透率;⑤ 所有岩层中,富县组砂质泥岩的渗透率最低,可视为隔水层。     

高压压水试验渗透系数的求取

从紊流非达西流角度出发,利用压水孔水压、压水段长度、观测孔水压和流量等参水,推导出高水压条件下岩体渗透系数计算公式。结合某矿下组煤底板压水试验成果,分析了不同水流状态下计算的渗透系数的差异性,得出水流状态对岩体渗透系数计算的结果影响巨大,水压的变化引起岩体渗透性的剧烈变化。本文建议的渗透系数计算公式为裂隙岩体紊流状态下的非达西流渗透系数的计算提供了一种有效的方法。     

中线法尾矿筑坝中旋流器底流稀释浓度现场优化试验

为确定中线法尾矿筑坝中旋流器底流适宜的稀释浓度,在攀钢集团马家田尾矿库干滩上开展了3组不同底流稀释浓度的放矿试验,分析了不同底流稀释浓度条件下的沉砂在堆积坡面上的流动性、粒径分布特性和坡面平整度,并进行了旋流器溢流尾砂和适宜底流浓度下的堆积坝沉砂物理力学参数测试。结果表明,稀释浓度70%时,沉砂在堆积坡面上流速适中,颗粒沉积效果好,尾砂运移距离远,堆积坡面较平整;旋流器对尾矿分级效果明显,沉砂固结强度高、渗透性能好。