多尺度岩石渗透特性的试验研究

岩体赋存于一定地质环境中,经过漫长的地质构造作用,形成由连续性状的岩石材料和非连续性状的各种地质结构面组成的复杂地质体。渗透率是影响这种复杂岩体渗透特性的重要参数之一,渗透率选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性与工程稳定性。采用室内试验的方法,结合达西定律确定裂隙岩体的渗透率。通过自行研发的5种尺寸压力室测定不同尺寸岩石试样的渗透率,得到由不同裂隙、孔洞组合的岩石试样在稳定流、非稳定流下的渗透率,并由此分析得到多尺度岩石的渗透特性。从多组试验结果中分析可得,随着岩石试样的尺寸增加,岩石的渗流通道增多,从而渗透率增大,但增大到一定程度后会趋于稳定,这一渗透规律对实际工程有指导意义。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

忠曲金矿巷道涌水水源判识研究

在综合分析忠曲金矿水文地质特征及巷道渗水与涌水水动力特征的基础上,结合各组水样的水化学相关性分析结果,判定巷道渗水及涌水与大气降水、雪水、泉水、溪沟水、尕海湖水、黄河水等各种类型水的关系,从而判识巷道涌水的水源。分析结果表明最终水源为矿区北侧的溪沟水、区域降水、表土层地下水、沟流水等,为忠曲金矿巷道涌水治理提供了依据。     

巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例

随着深部煤炭资源的枯竭,浅部煤层上巨厚松散层水体成为淮南矿区不可忽视的安全隐患,预留煤柱的安全性评价显得尤为重要.本文以口孜东井田为例,通过全面系统地收集整理口孜东矿近年来井上、下补充探查、矿井水动态长期观测、井下采掘工程揭露的地质和水文地质资料,通过数值模拟和理论分析方法得出以下几点认识.(1)以矿区经典块段的钻孔柱...     

基于充水要素的矿井水害类型三线图划分方法

煤矿水害分区、矿井水害类型与水文地质类型等划分结果在矿井充水水源、充水通道等水害形成要素方面体现相对不足,对煤矿防治水工作指导性不强。本文从矿井水害形成的基本要素入手,通过分析矿井不同类型充水水源、充水通道及其组合条件下的矿井水害特点及其危害程度,将矿井充水水源按其富水程度与供给能力划分为缓渗式弱供给、涌溃式快供给、突涌式强供给和无阻滞式充分供给4种类型;将充水通道按照其渗流畅通性与空间尺寸划分为低渗流型、高渗流型、小断面自由流管道型、大断面自由流通道型4类充水通道;按不同充水水源与充水通道之间的组合关系,将矿井水害危害性程度划分为轻微、中等、严重与极严重4级,并借鉴Piper三线图与库尔洛夫式地下水水化学分析原理,绘制了矿井水害类型"4-4-4三线图",提出了能简洁反映矿井关键充水要素与水害特征的矿井水害类型划分方法,为煤矿开展水害防治提供指导。      

某地下空间承压含水层抽水试验及成果分析

由于地下水突涌风险,地下空间在施工作业中有必要通过抽水试验确定承压含水层的水文地质参数。依据勘察报告的初步评价,基坑开挖15.5m时,场地内第⑦1层承压含水层有可能产生突涌,为确保工程安全施工,需开挖前进行承压含水层抽水试验,取得场地承压含水层水文地质参数及降水引起的沉降特征,为地下空间设计和施工提供可靠依据。本次布设抽水井、观测井、分层沉降标组、孔隙水压力观测孔及地面沉降观测点,依据抽水试验技术要求获取渗透系数、抽水影响半径等相关水文地质参数。最后,针对工程场地内承压水情况及特点进行分析,提出基坑开挖时的承压水降压建议方案。     

安庆铜矿水化学特征及标志意义

安庆铜矿属岩溶金属矿山,水文地质条件复杂,坑下涌水量大.本文收集了安庆铜矿40个水化学分析样,根据地下水化学成分阿廖金分类法进行类型划分并分析其标志意义.     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

主成分分析法在判定新立矿井海水渗入中的应用

为了判定新立矿井海水渗入情况,在详细的水文地质调查、取样测试的基础上,应用主成分分析法将7个水质测试指标进行了降维处理,分析了主成分的实际意义,并根据综合主成分指标进行了水样的分类。结果表明,7个指标可以综合为两个主成分,Cl^-,Mg^2＋,Na^＋和SO4^2-四个变量在第一主成分上具有类似的、较高的载荷值,反映海水的浓缩效应,K^＋在第二主成分上显示较高的载荷值,反映离子交换吸附效应;矿坑涌水中K^＋、Na^＋等指标即可反映海水渗入的物理、化学特征,通过涌水水质的监测可以判定海水渗入情况。     

Seawater inrush assessment based on hydrochemical analysis enhanced by hierarchy clustering in an undersea goldmine pit,China

Seawater inrush is deadly to undersea mine and it is very important to accurately assess the connectivity between seawater and the mine pit. With Xinli gold mine area as a case study, following the analysis of geological setting, a detailed hydrogeological survey and sampling were conducted and conservative ions test of mine water samples was carried out in the laboratory. Furthermore, the physical significances of ion concentration and ion ratios, such as Cl^?, γSO₄ ^2?/γCl^? and γNa⁺/γCl^?, were checked. The test data analysis, enhanced by the physical significance check and hierarchy clustering analysis, was used to assess the overlying seawater inrush into the mine pit. It was determined that the undersea rock masses in the Xinli mine area bear high-mineralization brine water. The ore-controlling fault gouge and a thin layer of clay in Quaternary block the seepage of overlying seawater into the undersea mine pit to a great extent. The mine water from surrounding rock of the northeast gopher drift is closer to seawater in hydrogeochemical features, which indicates that the connectivity between the northeast of footwall of the ore-controlling fault and seawater is relatively good and should be closely monitored in future production. The mine water from the southwest gopher drift and crosscuts is similar to the brine (salty) water in chemical features, drains the net reserves of brine (salty) water in bedrock fissures and will impose few impacts on production in the near future. This approach is feasible and cost-effective.     

近水平层状坝基岩体渗透结构及其工程意义

查明坝基岩体的渗透结构对于大坝工程防渗方案的制定具有重要意义。以黄河古贤水利枢纽工程近水平分布的红层坝基岩体为研究对象,使用“连续、高分辨率”压水试验数据处理与统计方法,分析了岩体透水率与高程、岩性及顺层剪切带的关系,阐明了坝基岩体的渗透结构,提出了工程防渗建议。研究发现,坝基岩体渗透结构表现出结构性和随机性双重特征。结构性表现为岩体透水率随高程的降低而减小;随机性表现为岩体透水率会因岩性和剪切构造等随机变化。对于河床及滩地坝基岩体,风化卸荷带底高程在450 m附近,1 Lu关键透水率指标界线的底高程位于340 m附近。对于岸坡坝基岩体,3 Lu关键透水率指标界线的底高程位于560～580 m。在坝基勘察深度范围内,350～360 m高程段连续分布具有一定厚度的软岩类岩体,剪切构造不发育且岩体透水微弱,可视为相对隔水层,对坝基防渗帷幕优化设计具有指示意义。文章提出的统计、分析方法具有一定普适性,可为类似工程所借鉴。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

隧洞断层破碎带岩体涌水量分析——安哥拉某水电站为例

隧道涌水量预测对隧道的设计和施工至关重要.笔者以安哥拉某水电站进厂交通洞涌水为例,基于涌水发生后实测的涌水量、水温、水化学、附近地下水位变化等特征,分析涌水成因.根据涌水洞段岩体透水性的不同,将隧洞断层区岩体划分为3个透水性段.根据建立的模型,采用流体力学伯努利方程对最大涌水量进行估算;利用稳定流裘布依理论公式对正常涌...     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

岩体渗透结构类型的划分及其渗透特性研究

划分岩体渗透结构类型是水利水电工程地质勘察和渗透性评价的重要内容。从岩体结构的控渗作用出发,分析了控制岩体渗透特征的主要因素,即岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用;提出了岩体渗透结构类型的划分原则,即考虑岩体的各向异性特征。根据岩体的宏观渗透特征,即渗透介质及主要途径,将岩体渗透结构类型划分为5类:散体状渗透结构、层状渗透结构、带状渗透结构、网络状渗透结构、管道状渗透结构。结合工程实例,给出了小浪底渗透结构为层状及带状、三峡工程坝址区岩体渗透结构为散体状、网格状及带状。     

矿山水文地质结构及其采动响应

本文以谷德振先生创立的岩体工程地质力学理论为指导,在水文地质结构概念的基础上提出了矿山水文地质结构的概念,结合我国煤矿的宏观地质背景及矿山水害的研究基础,基于矿山水文地质结构对矿山水害类型进行了重新划分。从突水水源、导水通道以及采掘活动3个致灾危险源出发,结合矿山突水溃砂灾害、底板突水实例,对矿山水文地质结构的采动响应进行研究,为矿山水害防治和矿山安全地质工作提供了一种新的思路和途径,显示了岩体工程地质力学在煤矿水文地质工程地质研究中的重要指导作用和强大的生命力。     

贵州赫章县珠市铁矿山矿井突水机制研究

贵州地区岩溶普遍发育,岩溶区矿产资源丰富。由于含矿层及上下部地层含水性强至极强,矿产开采过程中水害问题突出。大型地下堰塞水体是形成矿井突水的主要水体之一,因其隐蔽性高,防范难度极大。阐明大型地下堰塞水体成因及其形成矿井突水的特点,对矿山生产防水治水有重要意义。以赫章县珠市铁矿山2015年“11·22”突水事故为例,在对突水矿井开展技术调查的基础上,结合矿山水文地质条件,通过对断层构造部位的岩溶发育特点、地下水径流、赋存状态以及形成矿井突水的水源类型、各类水体形成突水特征等分析,揭示了岩溶区大型地下堰塞水体的形成机制; 阐明了该类水体形成矿井突水的一般特征及突水征兆; 明确了造成赫章县珠市铁矿山矿井突水的水源为大型地下堰塞水体,事故系矿井爆破掘进过程中揭穿大型地下堰塞水体下部岩溶管道所致。大型地下堰塞水体形成矿井突水有其独特性,针对性地开展矿井防治水工作,及时采取合理、有效的防治水措施意义重大。     

武汉长江Ⅰ级阶地含水层水文地质参数研究及工程应用

武汉地区长江Ⅰ级阶地含水层在水流等沉积动力的分选作用和上覆土层压力的固结作用下,其渗透系数必然存在各向异性。因此,基于含水层渗透系数的各向同性和以单井稳定流抽水试验得到的含水层水文地质参数所完成的基坑降水设计亦必然与工程实际存在差异。通过现场分层抽水试验、群井抽水试验,结合三维数值模拟反演计算,得出了武汉长江Ⅰ级阶地各含水层水文地质参数的基本规律和特性,即：各含水层渗透系数自上而下逐渐增加且表现为各向异性,其水平渗透系数大于垂直渗透系数,其比值介于1.6～2.6之间。工程实例表明,采用各向异性的水文地质参数和三维渗流分析进行的超深基坑降水设计,结果更接近于实际,且有利于降低工程造价和基坑周边环境损伤,亦有利于节约宝贵的地下水资源。