类陷落柱介质渗流突变机制试验研究

岩溶陷落柱是内部结构杂乱无章的特殊地质构造,易成为隐伏于煤层底板下的垂向导水通道,是华北地区石炭二叠系煤田的重大安全隐患。在采动影响下,底板隐伏陷落柱的突水通道通常由底板破坏带和陷落柱共同组成,为了研究其渗流突变机制,利用自行研制的破碎岩体渗透性试验系统,对不同底板破坏带条件下,隐伏陷落柱的渗流特性进行了试验研究。研究结果表明：渗流突变发生的根本原因是大颗粒流失导致破碎岩体孔隙结构改变;发生渗流突变时,流速随渗流边界孔隙直径的增大而增大,同时试样的初始孔隙度均大于0.21;未发生渗流突变时,渗流边界对渗流无显著影响,并且试样的渗透率随孔隙度的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系;非Darcy流 因子为负是渗流突变发生的充分必要条件,非Darcy流 因子的大小决定渗流突变的剧烈程度。     

高水力梯度条件下颗粒堆积型多孔介质渗流规律试验研究

煤矿开采面临的水文地质条件越来越复杂,尤其是遭遇承压含水层的水压力越来越大,突水灾害发生时必然会带来高水力梯度引起的破碎岩体突水通道内高速非线性渗流问题。据此,研制高水力梯度（最大600）条件下堆积型多孔介质中高速非线性渗流试验装置,采用堆积型钢球模拟破碎岩体,对粒径为1、2、3、4、5、6 mm共6种光滑钢球分别开展了一维均质圆柱渗流试验。试验结果表明：对于由1～6 mm钢球堆积而成的孔隙率为0.44～0.45的多孔介质,当水力梯度大于145时,通过分析水力梯度-平均流速（J-v）曲线和水力梯度-雷诺数（J-Re）关系曲线,将流动状态划分为3个模式：线性层流、非线性层流、紊流,并获得了从线性层流过渡到非线性层流的临界流速为0.23～0.78 cm/s、临界水力梯度为3～8;从层流到紊流转捩的临界流速为1.6～4.8 cm/s、临界水力梯度为90～145。从小粒径多孔介质到大粒径多孔介质的渗流过程中,临界流速越来越大,而临界水力梯度逐渐减小。 渗透率与粒径的平方、非达西流影响系数与粒径的倒数均呈线性正相关,非达西流影响系数随着渗透率的增加呈指数减小。该研究对多孔介质非线性渗流的理论研究以及实际工程中高承压含水层突涌水问题有重要借鉴意义。     

多种勘探手段排查岩溶陷落柱的突水性

为查明煤矿采区内疑似岩溶陷落柱是否存在突水的威胁,选用了三维地震法、电法、地质钻探、孔内测井和抽水试验等多种勘探及试验手段进行了探查分析。使用三维地震勘探叠前偏移处理技术分析了陷落柱的构造空间展布规模;电法勘探解释了陷落柱影响区域内各充水含水层的富水性及其水力联系;孔内简易水文观测及抽水试验揭示了赋水区的充水强度;钻探和地球物理测井技术揭露了陷落柱影响区内的岩层分布规律及岩石结构的完整性。探查结果表明,陷落柱范围内各含水层处富水性弱,通过陷落柱难以构成煤层与各含水层之间的水力联系,排除了通过岩溶陷落柱突水的可能。     

山西省煤矿区陷落柱分布规律与突水预测研究

山西省煤矿区岩溶陷落柱主要分布在汾河流域与沁水盆地两大区域,在汾河流域,自汾河上游向下,陷落柱分布密度呈现出依次增大的趋势;在沁水盆地,表现为以盆地北缘的阳泉矿区分布密度最大,其它矿区密度较小的特点。通过对山西省煤矿区陷落柱突水性的分析,总结出判断陷落柱突水的主要影响因素：一是陷落柱是否处于强径流带,二是陷落柱充填物的胶结与压实程度,三是陷落柱所在矿区的构造与水文地质条件,并以此为依据将矿区划分为突水可能性大、突水可能性中等和突水可能性小三种类型,成功实现了矿区陷落柱突水预测。预测结果表明,霍西煤田霍州矿区是导水陷落柱发育的重点矿区,潞安矿区深部开采时存在岩溶陷落柱突水的潜在可能性,其它矿区岩溶陷落柱导水事故发生的可能性较小。     

西山煤田古交矿区陷落柱特征及其导水性分析

在分析区域地质特征的基础上,对西山煤田古交矿区陷落柱的数量、形态特征及分布规律进行了总结。从陷落柱的发育特征出发,对其导水条件进行了研究,认为本区岩溶陷落柱是否突水,关键取决于其是否有导水的力学薄弱通道。研究表明,本区岩溶陷落柱柱体胶结致密,后期活化程度弱,距煤层较近的峰峰组含水层的富水性弱,而煤层与上马家沟组强含水层之间隔水层厚度大,因而,在正常块段开采中,岩溶陷落柱作为集中导水通道导致重大突水的可能性较小。     

基于定向水平钻陷落柱综合探查与阻水塞立体建造技术

导水陷落柱导致的底板奥灰突水是同煤集团塔山矿的主要水害威胁,矿井8228工作面巷道掘进过程中曾发生陷落柱突水。为查明此导水陷落柱发育边界及其内部充填破碎体分布特征,并对陷落柱进行针对性注浆治理,在井上下综合物探勘探的基础上,采用分层多分支地面定向水平钻钻速录井、钻井液漏失量、岩屑录井、随钻测井等综合探查技术手段,结合数据统计分析,查明导水陷落柱的发育边界、影响带范围和破碎体胶结情况及其分布特征。结果表明,导水陷落柱的长短轴分别为410、200 m,破碎区主要分布在靠近工作面突水巷道运输巷掘进工作面右前方。利用Surpac软件对陷落柱空间结构和发育特征进行三维地质建模,并根据柱体充填物破碎程度将其刻画分区为主通道区、裂隙区和次生裂隙区。针对陷落柱破碎体不同分区,利用定向水平钻进控制技术和阻水塞立体建造注浆工艺分区控制技术,通过充填、挤密、劈裂等不同注浆工艺,对工作面导水陷落柱进行截源、加固等综合治理,最终实现工作面安全回采。定向水平钻分层多分支陷落柱综合探查与治理技术为其他类似工程提供重要的借鉴意义。      

弱径流条件下陷落柱柱体活化导水的机理及判据

陷落柱突水事故在我国煤矿时有发生,但其导水机理至今仍不十分明确。为分析在弱径流条件下陷落柱柱体活化导水的机理,可用弹性理论求出在自身重力、周边地应力和地下水压力作用下的陷落柱柱体内的应力分布。根据这些应力分析,分别采用Griffith理论、极限平衡理论和库仑准则,可以推导出柱体的关键层和非关键层的活化导水的判据,并据此判据分析了影响陷落柱柱体破坏导水的有关因素。      

赵官井田10煤层底板突水危险性评价

从地质构造、含水层、隔水层、开采条件等方面详细分析了赵官井田10煤层底板突水的影响因素,确定了断层强度指数、褶皱分维值、"底板充水含水层组"水压、"底板充水含水层组"富水性、奥灰富水性、隔水层厚度、泥岩比率、底板破坏深度8个主控因素作为10煤层底板突水危险性评价的决策指标,并建立了各主控因素专题图;运用层次分析法(AHP)确定了各主控因素的权重系数,建立了基于"脆弱性指数法"的底板突水危险性评价模型,对10煤层底板突水危险性进行了定量评价,结果表明:在井田的南部煤层露头处脆弱性指数小,突水可能性较小;在井田的北部,特别是在井田东北部,脆弱性指数大,突水危险性较大。      

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

在地热资源丰富的地区,需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响.基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验,改变降雨入渗强度,通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化.研究结果表明:①随着降雨入渗强度加大,地下水流速增大,地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部...     

矿井涌水注浆治理技术探究

为解决矿井三采区变电所区域开采10#煤层时出水点相对分散、涌水通道复杂、涌水量大的问题,分析了采区的地质及水文地质条件,并依据井下瞬变电磁勘探成果,认为充水水源主要来自直接顶板K_2石灰岩含水层,奥陶系石灰岩含水层是间接充水水源。K_2石灰岩含水层的充水方式是采掘直接揭露,奥陶系石灰岩含水层突水的途径主要是导水陷落柱,其次为断层。出水点治理时,钻孔设计原则是封堵推-X-348陷落柱中奥陶系石灰水的导水通道;钻孔施工顺序是先探查陷落柱位置(探查孔)→封闭陷落柱上部渗水通道(封闭孔)→注浆封堵陷落柱通道(注浆孔)。封堵后,涌水量由200m~3/h减少至40m~3/h,效果明显。     

Groundwater outbursts from faults above a confined aquifer in the coal mining

Groundwater outburst has an impartible relationship with geological structures such as water-conducting faults, which are widely distributed in north China. In order to study the seepage property and mechanism of water outburst from the faults above a confined aquifer in the coal mining, the simulation model of ground water inrush for fault was designed. The water outburst parameters, such as water inflow, permeability, seepage velocity, porosity and other variables under different material combination and water pressures, were obtained; the research results indicate as follows: (1) The changes of the water inflow can be divided into three stages, i.e., the water inflow slowly increases at the early stage, rapidly increases at the middle stage and keeps unchanged at the late stage. (2) The seepage process can be represented by the seepage combination types, which are composed of pore flow, fissure flow and pipe flow, and the seepage changes not only with time but also with different conditions. (3) Mining would lead to the reactivation of faults and further enhance the permeability of fault zone potentially. The tiny granules in fault would be eroded and moved to exterior as the time under the high water pressure and lead to the change of porosity parameters. In this case, the seepage velocity would increase ceaselessly, and then the seepage would convert into pipe flow and finally lead to water inrush accidents.     

A case study of water inrush incident through fault zone in China and the corresponding treatment measures

In 2010, a water inrush accident through a fault with a high flow rate occurred at Tianzhuang coal mine in Jining, Shandong Province, China, which was subject to the fault excavation. Grouting is an important treatment method before and after water inrush accidents. In this paper, the evolution of this water inrush accident is studied, and the effective treatment method is presented. The obtained results indicate that groundwater from Ordovician limestone aquifer 28.5 m below the floor flowed into the roadway through the fault zone. Results also show that this water inrush through the fault zone can be divided into a flow rate steady increase phase, a rapidly increase phase, a decrease phase, and a steady phase. The first two phases resulted from permeability increase of the fault, which was caused by seepage failure, and water level of the aquifer led to last two phases. Additionally, grouting using the ground borehole successfully controlled this water inrush accident, and it is proven to be a valid method.     

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。     

人工回灌条件下滨海砂质含水层渗透性的时空演变特征

人工回灌补给滨海含水层是海水入侵修复经常采用的工程措施,然而人工回灌条件下滨海砂质含水层经常出现渗透性显著降低的现象,其含水介质渗透性的时空演变规律仍不清楚。本文以青岛市大沽河下游咸水入侵区含水层砂样为研究对象,通过利用不同尺度的室内砂柱淡咸水驱替试验,对定水头和定流速条件下人工回灌咸淡水驱替过程中砂质含水层渗透性的时空演变特征进行了研究。结果表明：当淡水驱替咸水时含水介质的渗透性会发生显著变化,整个砂柱的渗透性先降低后回升,原因是回灌过程中砂柱中的黏土矿物发生释放、迁移、沉积;定水头条件下,在砂柱的前半段存在一个淘空区,渗透系数是初始渗透系数的1.6~2.0倍,砂柱其它部分渗透性是先降低再轻微回弹;定流速条件下,砂柱的渗透系数随时间的变化均呈现先降低后升高趋势,且砂柱各段离入水口的距离越远其渗透系数的值越小;砂柱黏粒含量的变化规律与渗透性的演化特征相吻合。研究成果可为人工回灌治理滨海含水层海水入侵提供一定的科学依据。     

国庄矿北大巷突水通道分析

通过对突水水源、突水量特点、固体突出物的总量、突出物的成分组合、突出物的形状以及松散物的主要成分等分析,认为肥城煤田国庄矿北大巷突水通道为岩溶陷落柱。      

隧道突涌水机制与渗透破坏灾变过程模拟研究

针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体“变强度-变渗透性-变黏度”的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量（流速）、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发（不考虑渗透性增大的影响）,随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。     

三轴应力下不同粒径破碎砂岩渗透特性试验

地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态,此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点,在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏,诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性,运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验,得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律,推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系,且轴向位移越大时,随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小;三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系,两者之间的相关系数达0.95以上;轴向位移恒定时,随着围压的增大,破碎砂岩渗透率k减小,非Darcy流β因子增大,各级轴向位移下,破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系;随着孔隙率的减小,5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势,非Darcy流β因子整体增大,且渗透率量级为10-14～10-11 m2,非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。     

低渗透地层水平井渗流规律的模型试验

为研究低渗透地层水平井开采渗流特征,采用自行设计的模型试验装置,通过预埋微型孔压传感器,监测不同含水层厚度和不同抽水泵位置的渗流规律。不同含水层厚度为:60cm、79cm、94cm、113cm、123cm。泵的位置分别为:造斜段、水平段入口、水平段内。试验结果表明:不同含水层厚度的渗流规律为随着含水层厚度的增加,其孔隙水压力增加,单位流量增大,且存在极限值。根据该实验可以得出含水层厚度、地层渗透性与水平井完井结构三者之间存在着约束关系,当含水层的厚度超过207cm时,在相同试验条件下,其单位流量趋于稳定,说明水平井在低渗透、薄层开采中的优势。当抽水泵位于水平井内不同位置时,其抽水过程中含水层内的孔隙水压力分布规律具有相似性。抽水泵位置主要影响降落曲线的影响半径及对应的流量大小,按照造斜段、水平段入口和水平段内其降水影响范围增大,流量增大。因此,在低渗透地层将抽水泵放置于水平段内有利于增加产能。