水沙混合物非Darcy裂隙渗流试验研究

西部煤田因埋藏浅、厚度大,常采取大采高、快速推进的方式开采,开采时,覆岩破坏易形成贯通裂隙,当煤层上方存在水源和厚沙层时,易引发采场突水溃沙事故。裂隙中水沙混合物的渗流规律及失稳条件是探究突水溃沙的关键问题,以径向裂隙岩样和不同粒径、不同质量浓度的水沙混合物为研究对象,设计一套裂隙水沙混合物渗流试验系统;通过改变沙的质量浓度和粒径大小进行裂隙水沙混合物渗透特性测试,得到水沙混合物裂隙渗流特性参数(有效流度I_e和非Darcy流因子β)。试验结果表明:当沙粒径小于0.180 mm、质量浓度小于80 kg/m~3时,水沙混合物可以视为幂律型流体;随着沙质量浓度和粒径增大,稠度系数增大,幂指数随之减小。水沙混合物在裂隙中渗流速度-压力梯度可用二项式关系式拟合。有效流度I_e、非Darcy流因子β与水沙混合物的质量浓度ρs分别呈幂指数函数关系,随质量浓度增大有效流度I_e也随之增大,非Darcy流因子β则随之减小。水沙混合物在裂隙岩石渗流时,沙质量浓度和粒径对渗流参数都产生影响,但沙密度是主要影响因素。     

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。     

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。     

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。     

不同粗糙度裂隙渗流特性数值模拟研究

岩石裂隙粗糙度对其渗流特性有重要影响。以巴顿十条标准轮廓线为基础,采用COMSOL数值模拟软件建立粗糙单裂隙渗流模型,开展不同粗糙度裂隙渗流特性研究工作,监测渗流过程中渗流速度的变化,并通过立方定律的修正式对渗透率进行计算,与此同时观测裂隙通道内的应力变化情况。研究结果表明:裂隙粗糙度对渗流速度影响较大,随着粗糙度系数(JRC)值的增大,裂隙渗流的最大流速和平均流速都在逐渐减小;裂隙渗流过程中有涡流场产生,且随着粗糙度的增大涡流场愈发紊乱,而涡流场会影响速度场的变化;岩石裂隙的渗透率随着JRC值的增大而增大,且呈对数函数递增趋势;裂隙通道内的最大压力受裂隙粗糙度的影响起伏波动较大,在JRC值为8～10时,最大压力达到最小值;裂隙通道内的最小压力随着JRC值的增大而呈现出逐渐减小的趋势。     

高温作用后岩石裂隙渗流试验及其模型分析

在油、气能源地下存储、高放核废料地质处理中,岩石的温度和裂隙渗透压力会显著地影响岩石裂隙的渗流性质。当渗透压力梯度逐渐增加时,渗流流量随之增大,使得Darcy流转变为非线性渗流。为研究高温致裂岩石裂隙渗流的基本规律,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合仪(该系统由围压、轴压和渗透水压3套相互独立的加载部分组成),在1 MPa的围压作用下,对高温作用后的岩样进行不同渗透压下的渗流试验,研究渗流流量与压力梯度的演化规律,并基于三维CT扫描技术对渗流试验后的岩样内部裂隙开度进行逐层检测,获得岩石裂纹开度统计分析以及岩石逐层孔隙率统计分布,能清楚的观测到岩石内部裂隙的网络结构,可为研究岩石多裂隙渗流提供依据。通过Forchheimer方程描述渗流流量与渗透压力梯度的关系,将渗流过程分为Darcy流与非线性渗流2个阶段,并引入非线性因子E,在实际岩体工程中大多定义E=0.1作为线性流和非线性流的分界点,从而求解出临界Darcy流的阈值和临界雷诺数。为了研究不同渗透压力下动量相对损失率的大小,采用欧拉数来计算岩石裂隙渗流的动量相对损失率。结果表明,随着渗透压力的增加,动量相对损失率呈现出先减小后增加的趋势。在某一渗透压力下,欧拉数达到极小值,表明在其压力作用下流体流动的变化率最小,对实际工程中研究高温致裂岩石裂隙渗流具有指导意义。     

预测矿坑突水量的广义三重空隙介质渗流模型

为模拟岩溶裂隙含水层中水的运动和计算矿坑突水量,按空隙的规模以及对渗流的贡献,把岩溶裂隙划分为起主导渗流作用的宽大裂隙、起储水作用的中小裂隙和孔隙以及位于煤层底板起垂向突水通道作用的裂隙、钻孔等,建立了3种不同类型的渗流模型．对宽大裂隙中岩溶水的运动,按裂隙水三次方定律建立非连续裂隙网络渗流数学模型;对中小裂隙和孔隙建立连续介质渗透张量渗流数学模型;对突水通道则建立管道流方程,把它们耦合成主干裂隙-裂隙岩块-突水管道三重空隙介质渗流模型．将其应用于焦作演马煤矿岩溶水疏降流场模拟,能真实地刻画岩溶裂隙水运动的各向异性和不连续性特征．     

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。     

岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究

为了研究岩体孔隙-裂隙双重介质渗流过程中速度变化、压力分布和不同形状裂隙影响的规律,采用COMSOL数值模拟软件对不同断裂形状的多孔介质块进行了渗流数值模拟,得到了裂隙速度场、基质块孔隙压力场和不同形状路径渗流影响的规律。结果表明:随着压力差的增大,沿裂隙路径上速度场发展最快,裂隙成为主要的渗流途径;基质块孔隙压力梯度分布均匀,压力分布在断裂的基质块中是连续的,但等压面的弯曲表明了裂隙和孔隙的不同流动状态;裂隙形状影响着流动特性,4种类型裂隙出口边界通量的大小关系为:圆角135°夹角90°夹角45°夹角,模拟结果有助于可视化地研究双重介质的渗流规律。     

变形历程对破碎岩体水沙渗流特性影响试验研究

为研究破碎岩体变形历程对其水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,在MTS816系列电液伺服岩石力学试验机上进行了配径碎岩在2种不同变形历程下的渗透试验。研究表明:破碎岩石变形历程对其水渗流特性无明显影响;破碎岩石的孔隙率在一定范围时,水沙渗流过程中,其孔隙率会由于滤沙作用而降低,导致渗透率降低;有蠕变经历的破碎岩石在水沙渗流过程中更易于过滤沙粒,滤沙量较大,而溃沙量较小;破碎岩体初始孔隙率相同时,水压梯度的增加会导致滤沙量减少,溃沙量增加。给出了一个描述破碎岩体初始孔隙率与水压梯度对滤沙量综合影响的表达式,为破碎岩体突水溃沙的风险预测评估提供指导。     

神府矿区大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术

以神府矿区大型水库常家沟水库为例,运用水文地质勘探、钻孔实测、理论计算、数值模拟等手段,查明了常家沟水库周边水文地质条件,拟合得出导水裂隙带高度计算公式,开展了大型水库周边浅埋煤层开采水害问题防治技术研究。研究结果表明:研究区水库周边煤层开采导水裂隙带预计发育高度约为72.8 m,常家沟水库周边煤层开采存在的水害主要包括烧变岩涌(突)水问题、萨拉乌苏组突水溃沙问题、常家沟水库倒灌水害等问题,针对常家沟水库浅埋煤层开采不同水害问题,提出了留设保护煤柱、帷幕注浆与井下探放水疏放、井下探放水与地面抽排联合疏放、上覆煤层采空区积水探查与疏放、沟道裂缝填埋等水害防治技术。水库周边15207工作面回采时,在留设保护煤柱的基础上,采取帷幕注浆625 m,施工疏放4-2煤烧变岩积水钻孔28个,累计放水量33 523 m3,保障了工作面安全回采。     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

薄基岩采动裂缝水砂流运移过程的模拟试验

在分析厚松散层薄基岩下开采水砂突涌工程地质模式的基础上,设计自制了水砂混合流运移及突涌模型。试验以0.05 MPa和0.10 MPa水压力条件下的不同水砂混合物成分、不同通道裂缝宽度为例,揭示了孔隙水压力在裂缝通道中不同位置的变化特征。通过设置的模型试验,定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息,获得不同模型试验水砂混合流运移通道中不同位置监测的水压力变化曲线,同时分析裂缝通道水砂流速度与通道宽度的关系,观测水砂流通道溢出口出砂量与时间的变化关系。     

环工作面电磁法底板突水监测技术

为了监测煤层底板在工作面回采过程中导含水构造裂隙的实时动态发育情况,避免底板突水事故的发生,提出了利用环工作面电磁法对煤层底板突水进行监测的方法技术。通过数值模拟,研究总结了全空间条件下采煤工作面底板不同空间位置异常体在环工作面电磁法观测方式下的响应特征。设计了环工作面电磁法底板突水监测观测系统,并提出了电磁法突水系数的概念。根据底板下导含水裂隙与工作面底板之间距离的大小将电磁法突水系数划分3个等级：突水提醒阈值Cr、突水警告阈值Cw和突水报警阈值Ca。     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

煤矿区深部含水层具有大埋深、高水压等特点,是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上,探讨了深部矿井地应力对裂隙水介质的力学作用机制,阐述了深部矿井裂隙水介质呈现"高承压、弱富水"的力学原因;基于古岩溶成因演化理论,结合水文地质勘探和野外调查,分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部"古风化壳"的岩溶充填结构特征,并将奥陶纪石灰岩顶部"古风化壳"划分为"隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带"3种岩溶充填结构类型,给出了各类型确定的关键指标和阈值,明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为"完整底板突水模式"和"集中破碎带底板突水模式",分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法(T_s法)评价底板突水危险性的局限性,引入隔水层厚度(M)和含水层钻孔单位涌水量(q)2个指标,结合突水实例分析,提出了"修正的突水系数法"(T_s-M-q法,适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上,提出"渗-流转换"突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后,基于深部矿井水害特征及突水模式,结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向,阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。