陷落柱渗流突水机理及强度主控因素模拟

为了研究陷落柱影响区域内巷道渗流突水机制及其主控因素,采用Darcy、Brinkman、N-S方程对含水层、陷落柱、突水巷道内流场进行联动系统刻画,选取不同参数、不同边界等变量,分析影响陷落柱渗流突水强度的主要因素。结果表明:定压、定流量条件下,含水层渗透率增大会引起含水层和陷落柱交界处区域流速增大,但定流量条件下增幅较小,且会降低巷道突水流速;陷落柱渗透率的增大对突水压力和突水流速作用显著,定压条件下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速骤增;含水层压力增高,陷落柱区域和巷道区域流速明显增大;在定流量边界下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速仅发生微小波动;将研究结论与现有相关成果进行了对比验证分析,获得了与本文较一致的研究规律。总体分析,陷落柱影响区域巷道突水机理是含水层水压高、足量补水、陷落柱破碎区域渗透率较大且联通了含水层和巷道;其中,含水层压力、陷落柱渗透率是陷落柱渗流突水强度的主控因素。      

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。     

加载历程对配径碎煤渗透特性影响的试验研究

为了证实加载历程对破碎煤样渗透特性的影响,利用一套由齿轮泵、换向阀、溢流阀和渗透仪等组成的渗透回路,在CMT5305型电子万能试验机试验系统上测试了配径碎煤在两种不同试验方案下的渗透特性,得到了两种方案配径碎煤的渗流速度、渗透率、非Darcy流? 因子与孔隙度的关系。研究表明：①第1种试验方案的渗流速度和渗透率与孔隙度的关系用幂函数拟合,第2种试验方案的渗流速度和渗透率与孔隙度的关系可用指数函数拟合。②孔隙度较大时,渗透率和非Darcy流? 因子与加载历程有关;孔隙度较小时,渗透率和非Darcy流? 因子趋于稳定,与加载历程无关。③随着孔隙度的减小,方案1非Darcy流? 因子由负变正,配径碎煤的渗透性加强;方案2非Darcy流? 因子始终为负值,配径碎煤的渗透性减弱。④两种方案的非Darcy流? 因子与孔隙度均可采用三次多项式拟合,多项式的系数与加载历程有关。     

破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究

利用一种专利装置与MTS815.02型岩石力学试验系统,进行了破碎砂岩的稳态渗透试验,得到了不同孔隙率下破碎砂岩的渗透率和非Darcy流 因子。通过线性回归得到了渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系。认为破碎岩石的渗透特性主要是由孔隙率决定的,孔隙率不仅与当前的应力有关,更取决于加载历史。研究表明,水在破碎砂岩中的渗流一般不服从Darcy定律,而服从Forchheimer关系,特别是在小孔隙率下,非Darcy性更为突出;渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系可用幂函数拟合。     

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。      

基于Wyllie平均方程的煤系岩溶陷落带富水性预测

在岩溶陷落带孔隙发育,原来坚硬致密的岩石改变了性质,造成岩石密度、波速、电阻率等物性参数发生变化,这些物性异常引起地震波波场改变,从而导致地震波特征参数如时间、反射系数、波阻抗等的变化。利用Wyllie时间平均方程可以建立充水岩体的地震波速度和孔隙度之间的关系。根据密度平均方程建立充水岩体密度和孔隙度之间的关系,进而建立波阻抗和孔隙度之间的关系。因为岩溶陷落带孔隙发育情况和导通性决定了其是否能成为导水通道,利用波阻抗属性可预测岩溶陷落带孔隙度发育情况,这可为判断富水性提供重要参考依据。      

基于核磁共振技术研究渗流作用下土石混体细观结构的变化

为研究土石混合体在渗流作用下细观结构的变化。选取土石比例为7:3的重塑土石混合体试样进行室内渗流试验,采用核磁共振(NMR)实时监测试样在不同水力坡降和不同时间段下的细观结构信息,如孔隙分布和自由水孔隙等。结果表明:(1)渗透压力变化导致土石混合体孔隙分布发生改变,促使孔隙扩大及孔隙连通性变好,并破坏土石混合体结构特性等;(2)随着水力坡降和时间的增加,自由水孔隙、总孔隙及NMR渗透率均有不同程度增长,NMR渗透率增长速率持续升高,且自由水孔隙在对NMR渗透率贡献上大于束缚水孔隙;(3)低水力坡降下土石混合体孔隙分布曲线的不均匀系数K_(ua)和曲率系数K_(ca)系数变化较小,土石混合体侵蚀程度小,渗透破坏程度低。高水力坡降下K_(ua)和K_(ca)系数变化明显,土石混合体侵蚀程度较高,土石混合体形成渗流通道并发生渗透破坏。     

平朔矿区井工矿水害条件分析及防治对策

平朔矿区井工矿井的充水水源有第四系孔隙水及地表水、石炭-二叠系砂岩裂隙水、奥陶系灰岩岩溶裂隙水.充水通道包括顶底板采动裂隙、断层、岩溶陷落柱、第四系天窗、裂隙密集带及封闭不良钻孔等,其中顶底板采动裂隙、断层、岩溶陷落柱为主要导水通道.为防治煤层顶、底板含水层的水害,建议采用地面与井下、钻探与物探相结合的勘查手段,以查明含水岩系的富水状态及水力联系.     

深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究

深部开采突水具有突发性、滞后性和强致灾性等特点,研究突水通道成因、演变规律和致灾机制成为控制深部开采底板突水的关键。大量的防治水实践和理论证实,构造突水通道一般发生在构造与岩层接触面处,为此建立隐伏构造条块体突水判据模型,应用剪切破坏理论方法得到突水理论判据;借助深部承压水上底板断层扩展活化及导水通道演化物理模拟试验,研制了固-流耦合相似材料,选取模拟断层破坏活化的材料并进行了模拟材料的可行性分析;试验直观地展现了含隐伏断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下底板裂隙形成、隐伏断层扩展、突水通道贯通的全过程。通过对试验监测数据和现象的解读,揭示了应力场-渗流场耦合作用下承压水体上采煤底板滞后突水的机制,并对突水路径形成的时空规律进行了分析探讨,为研究深部开采构造突水提供了新的方法和认识。     

厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术

为研究受奥陶系灰岩(简称"奥灰")水威胁的工作面能否采取放顶煤开采,选择准格尔煤田黄玉川煤矿研究奥灰突水机理。该矿6上煤底板承受奥灰水压为0～4.49MPa,隔水层厚度为54.296～75.78 m,6上煤底板奥灰突水系数为0～0.085 MPa/m,绝大部分区域小于临界突水系数0.06 MPa/m;而一盘区巷道掘进遇断层时曾发生多次突水,说明该区具有不同的突水机理。矿井断层、裂隙发育,存在隐伏陷落柱,对断层、陷落柱的放水试验发现,北北东向地质优势面控制奥灰含水层富水性。在黄玉川煤矿216上01工作面,通过定水头压水试验测得底板最大破坏深度为34.9 m,阐明了准格尔煤田底板奥灰强渗通道耦合底板破坏的突水机理,改变了从纵向上认识底板奥灰突水的传统,从平面上施工小角度定向长钻孔探查垂向强渗通道,并进一步局部注浆加固,解决了采掘过程中的奥灰水害。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。     

低渗透压力条件下砂岩渗透性质的CT试验

运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石空隙率公式,从CT尺度上分析了岩石空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随渗透水压力的变化规律。结果表明:岩石的渗透参数随渗透压力的增加而增大,渗透参数随渗透压力的变化呈对数关系,这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形,这一变形为弹性变形;而渗流速度与渗透水压力呈线性关系,符合宏观尺度渗流的达西定律。      

Simulating research on pressure distribution of floor pore water based on fluid-solid coupling

In terms of the problem that deep coal resources are under the threats of high water pressure, it is necessary to further study the outburst mechanism of working face floor karst water from the view of studying varying patterns of rock mechanical parameters and confined water pressure distribution of floor rock under the mining influence in the process of mining. Through the theoretical research of fluid-solid coupling and rock seepage experiment, the changing rule of the rock porosity and the Young’s modulus is analyzed, the changing law of the floor displacement is obtained by establishing the floor mechanic model, and the relation between elastic energy density and rock mass unit strain is established. Based on the numerical model of fluid-solid coupling analysis by the Comsol Multiphysics software, the changing law of floor displacement corresponds to the theoretical solution, the different variation laws of rock mass of different depths under the actions of ground pressure are acquired by simulation calculation, the distribution characteristics of pore water pressure are discussed, and the elastic energy density of the rock mass under the action of imbalance water pressure before and after mining is comparatively analyzed. Studies show that the distribution of pore water pressure is horizontally different before and after the stress peak line, and it mainly has four distribution patterns vertically. When mining above the confined water, the spatiotemporal position when and where the upper and lower boundaries of the rock mass in the lower water-resisting layer release energy at the same time is critical to the occurrence of water inrush.     

不同温度下孔隙压力对煤岩渗流特性的影响机制

在深部煤层瓦斯抽采过程中,地温较高且孔隙压力逐渐降低,而目前综合考虑温度和孔隙压力对煤岩渗透特性耦合作用的研究较少.利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置,以贵州矿区原煤试件为研究对象,进行不同温度下改变孔隙压力的渗流试验,并建立了考虑温度的渗透率匹配模型.研究表明,煤岩渗透率随孔隙压力增大按指数函数减小;煤岩渗透率随压差的增大而减小,随温度的升高而降低,在不同的温度状态下,渗透率的下降速率和变化幅度有所不同.在模拟瓦斯开发的物理试验中,压差应尽量小,减少其误差,为建立不同边界条件的渗透率模型提供帮助;随温度的升高,温度突变系数呈增大的趋势;随孔隙压力的增大,温度突变系数呈减小的趋势.温度突变系数在整个阶段不为常数,且割理压缩系数可变,这两个特征更能真实地匹配模型,反映瓦斯的开发过程.      

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。     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。