隧道突涌水灾害防突厚度计算方法及适用性评价

将10余种常见的突涌水灾害防突厚度计算方法分类归纳,并与隔水岩体破坏和充填结构失稳两大类突涌水灾害类型对应统一。对于隔水岩体破坏型突涌水,按照力学模型和适用对象的不同将计算公式归类划分为完整岩体型与裂隙岩体型两类,改进了裂隙岩体三区模型的最小安全厚度计算公式,对比了不同工况下各个公式的计算结果,表明适用于完整岩体的三维岩柱剪切模型和适用于裂隙岩体的单裂纹扩展三区模型与工程经验公式一致性较好,具有更好的准确性和适用性。对于充填结构失稳型突涌水,颗粒受力启动适合于作为充填介质渗透失稳开始的标志,流体流态转变可作为失稳发生的临界判别标准。最后,文中对理论分析、数值模拟、模型试验与工程类比等方法的适用条件、判断标准与优缺点做了系统的评价,可为实际工程中监控物理量的选择、临灾状态的识别与灾害预警提供参考。     

反复入渗对重塑黄土渗透特性的影响

甘肃黑方台黄土经历长期的灌溉入渗破坏了其原生结构,改变了不同深度黄土的颗粒级配,影响了土体的力学性质。为研究反复灌溉入渗对坡体的影响,通过室内土柱渗透试验研究了反复入渗对甘肃黑方台黄土渗透特性的影响,并研究了渗透作用下黄土中细颗粒运移的规律与模式。研究表明:①水力梯度对渗透速率影响较小而干密度对渗透速率影响较大;随着入渗次数的增加,重塑黄土的渗透性能变弱;②黄土在渗流力的作用下,存在细颗粒沿渗流方向运移的现象,且细颗粒在土柱中上部聚集最多;③影响细颗粒运移的因素有:水力梯度、干密度和渗透次数;其中细颗粒的运移量与水力梯度、渗透次数呈正相关,与干密度呈负相关,且水力梯度是影响细颗粒运移的主要因素;④在渗透过程中,细颗粒运移堆积,最终填充土体内孔隙,导致黄土的渗透性下降。     

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。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

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。     

应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。     

采煤冒裂带上覆松散土层渗透变形的模型试验研究

用具有不同尺寸的裂隙的混凝土预制块模拟采动裂缝岩体,以粘土、粉土、粗砂和砾砂为基本材料配制21种土样模拟松散层,采用改装的渗透仪,对采区上覆垮落带和裂缝带之上的这种松散层发生渗透变形破坏的类型和机理进行了研究,得出了水往裂隙带方向流动时松散层发生渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂隙尺寸等的关系。试验表明,粘粒含量少的粉土、粗砂、砾砂较易发生水砂突涌;同一种土样发生渗透变形破坏时,裂缝宽度越大,临界水力坡度越小。试验还得出了突砂口张开程度与突砂量的关系。     

基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究

岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应是影响岩体裂隙网络等效渗透性的重要因素。首先回顾了单裂隙中裂隙粗糙度和流体惯性效应对其过流能力的影响;然后基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法求解控制裂隙内流体流动的非线性方程组,研究岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络(DFN)等效渗透性的影响;最后,基于两种不同边界条件,对离散裂隙网络模型内流体的流动特性进行了探讨。结果表明,当水力梯度较小(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响很小;当水力梯度较大(0.5)时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响随水力梯度的变化而显著变化;在两种边界条件下,当水力梯度在0.1~10.0之间时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络过流能力的最大影响分别为18.1%和27.5%。所以,当水力梯度较大时,需要在离散裂隙网络模型的渗流计算中考虑裂隙粗糙度和流体惯性效应的影响。     

重金属污染物在黏土固化注浆帷幕中的运移规律

基于渗透和弥散作用,探讨了黏土固化注浆帷幕对污染物的阻滞机制,通过土柱试验,分析了注浆帷幕对重金属污染物的渗透性能和弥散性能,采用污染物运移过程数值模拟的一维对流-弥散计算模型,研究了重金属污染物在注浆帷幕中的运移规律。试验表明,不同的污染物质在黏土固化注浆帷幕中的渗透性能和弥散性能不同,镉的迁移速度大于铅。数值计算表明,注浆帷幕的厚度及其渗透性、弥散性和水力梯度等重要控制参数对重金属污染物在帷幕中的运移过程具有显著影响。     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。     

近松散层采掘抗渗透破坏评价方法Ⅰ：临界水力坡度

抗渗透破坏评价是近松散含水层煤层开采溃水溃砂防控的重要基础工作,但至今尚未形成规范性方法和标准。松散层和风化带抗渗透破坏评价的关键是确定水力坡度和临界水力坡度。首先综述了流土和内部侵蚀发生的临界水力坡度确定方法,指出近松散层煤层采掘诱发溃水溃砂临界水力坡度与传统的临界水力坡度的不同特点。针对集中通道获得考虑临空面出口尺寸和岩土层物理力学性质的松散砂层、黏土层和基岩风化带的抗渗透破坏临界水力坡度的计算公式,采用试验结果验证,溃水溃砂临界水力坡度公式的适用性。通过单因素和多因素参数对临界水力坡度的敏感性分析结果表明,裂隙宽度是影响临界水力坡度大小的最重要因素,也表明在实际工程中通过控制采掘诱发的覆岩破坏是减少溃水溃砂灾害的关键措施。煤系风化带的临界水力坡度与其中黏土成分的含量、施加荷载大小有密切的关系,当黏土在风化岩石中占比(质量分数)为5%～40%时,其变化范围为2.9～67.2,给出了用高斯函数的拟合估算关系式和考虑上覆荷载的估算公式。研究结果将为近松散层开采溃水溃砂评价临界水力坡度计算提供参考。     

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅱ:底板突水

矿山地下工程渗透变形破坏造成的典型灾害类型包括顶板突水溃砂、底板突水、防水闸墙与围岩界面渗透破坏等。本文从刘国昌先生对我国矿山水文地质工程地质学发展的奠基作用谈起,综述了矿山底板岩体渗透变形破坏突水灾害机理和防控技术进展。回顾了煤矿底板突水系数提出、改进和应用的历史,从底板渗透变形破坏产生的渗透力学机理重新阐释了突水系数的物理含义。基于底板岩体结构临界抗渗水力坡度建立了抗渗安全系数突水判别方法,其底板临界抗渗水力坡度可由半经验方法估算。在对底板突水评价方法演进分析的基础上,提出了底板危险源辨识和突水危险性动态评价方法。对底板突水灾变的主动防控措施的防控原理及效果评估方法进行了分析。最后,讨论了矿山底板渗透稳定性方面需要进一步深入研究的科学问题。     

The role of pore pressure during hydraulic fracturing and implications for groundwater outbursts in mining and tunnelling

Water outbursts from the floor during underground mining, and those from the surrounding rock mass of tunnels, involve the basic principle of hydraulic fracturing. Based on the hydraulic-fracturing mechanism, considered to be dependent on the coupling between seepage and damage, it is deemed that the variation of the pore-fluid pressure coefficient must be taken into account during this coupled process, in order to correctly establish the crack propagation mechanism during hydraulic fracturing. The coupled seepage-damage model is validated using numerical simulations of hydraulic fracturing around one hole and three holes; the model may also enable scientific and reasonable explanation of the dominance of hydraulic gradient on the crack propagation path in permeable rock. Finally, the water outburst from the floor at a coal mining site in Hebei Province, China, is numerically simulated, and the coupled seepage and damage mechanism during the mining-induced rock failure is clarified. The numerical simulation implies that the seepage-damage is the main mechanism for controlling the water outburst. Therefore this mechanism should be considered in the numerical simulation to understand the essence of water outburst induced in mines.     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明：砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

矿井涌水量动态预测非稳定释水-断面流法

我国北方煤田上覆地下水系统含水层以砂岩为主,是矿井主要充水水源。除浅部、露头区外,上覆砂岩地下水系统总体上构成非径流型蓄水构造,弹性贮存是其地下水主要赋存状态,压力传导、局部渗流为地下水动力学模式,矿井涌水主要为承压含水层弹性释放。非充填开采,煤层上覆地层周期性冒裂形成冒裂二元结构体,其自身释水(弹性、重力)与其外侧含水层断面弹性释水叠加形成矿井涌水。冒裂二元结构体释水随冒裂周期发生,时间短暂。外侧含水层断面释水可用非稳定流定降深沟(渠)流方程描述,进而获得外侧含水层断面释水单宽流量。外侧含水层释水断面随冒裂周期性延展累积,迭代更新,矿井涌水流量随之变化。在研究、刻画外侧含水层释水断面延展、迭代时空规律基础上,给出含水层断面释水流量预测方法、公式,与冒裂二元结构体自身周期性释水流量叠加,获新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法。     

A two‐dimensional coupled hydromechanical discontinuum model for simulating rock hydraulic fracturing

Within the framework of our discontinuous deformation analysis for rock failure algorithm, this paper presents a two‐dimensional coupled hydromechanical discontinuum model for simulating the rock hydraulic fracturing process. In the proposed approach, based on the generated joint network, the calculation of fluid mechanics is performed first to obtain the seepage pressure near the tips of existing cracks, and then the fluid pressure is treated as linearly distributed loads on corresponding block boundaries. The contribution of the hydraulic pressure to the initiation/propagation of the cracks is considered by adding the components of these blocks into the force matrix of the global equilibrium equation. Finally, failure criteria are applied at the crack tips to determine the occurrence of cracking events. Several verification examples are simulated, and the results show that this newly proposed numerical model can simulate the hydraulic fracturing process correctly and effectively. Although the numerical and experimental verifications focus on one unique preexisting crack, because of the capability of discontinuous deformation analysis in simulating block‐like structures, the proposed approach is capable of modeling rock hydraulic fracturing processes. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.