破碎岩体非达西渗流研究及其应用

发布时间：2018-01-14 06:23

本文关键词：破碎岩体非达西渗流研究及其应用　出处：《中国地质大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：破碎岩体可分为两类：一类是堆积破碎岩体,因工程开挖而破碎冒落并在高压作用下可再次压实的破碎岩体,比如采矿中因采动作用而冒落的上覆岩层堆积体；另一类是原位破碎岩体,即受构造及采动作用破碎后仍处于原来位置的,比如断层破碎带、巷道开挖后周围的松动圈岩体等。破碎岩体与完整、致密岩体相比,具有孔隙度大、渗透性强等特点,渗透系数高出完整岩体一至数个量级,因此,因渗流导致的重大灾害事故多发生在破碎岩体中。破碎岩体渗流的研究是基础研究,这个研究与采矿工程、石油工程、地下水工程等一系列领域有关,对促进生产安全有着重要的理论和实际意义。本文从以下几个方面对堆积破碎岩体渗流进行了研究。首先,根据破碎岩体孔隙率大、渗透性强、满足分形分布的特点,本文将非线性数学中的分形几何理论和技术与多孔介质流体动力学相结合,建立了描述破碎岩体非达西渗透特性的分形绕流阻力模型。针对松散堆积破碎岩体提出绕流阻力分形分析的新研究方法,揭示除毛细管模型外,绕流阻力模型也可用来描述流体在介质中的流动,分形分析揭示了多孔介质微观结构分形维数、迂曲度等对流体流动的影响机理。提出当雷诺数在20-1000时,阻力系数可能是从10-13渐变的,而不是在雷诺数是500时发生了突变,这更符合实际情况。其次,本文进一步研究了平均水力半径孔喉模型,通过对比平均水力半径孔喉模型理论表达式和Forchheimer方程,可求出达西渗透率、非达西因子、非达西等效渗透率的理论表达式。达西渗透率与孔隙率、颗粒平均粒径、迂曲度有关,与雷诺数无关,结论与渗透率定义中渗透率只与介质骨架有关而与介质中流体的流动无关一致。非达西等效渗透率是雷诺数的函数,随雷诺数增加而减小,这个结论与Barree和Conway采用无量纲得到的结果一致。非达西等效渗透率采用无量纲的形式,可求得非达西等效渗透率和达西渗透率的比例系数,在采矿工程和石油工程中,经常采用达西渗流忽略非达西渗流,往往造成很大的误差。在实际应用中,可用这个比值对达西渗透率进行修正,减小误差。计算得出岩体渗流的达西和非达西流的临界阈值,雷诺数小于0.1时,非达西等效渗透率和达西渗透率的比值大于99%,即非达西渗流引起的误差小于1%,可以认为流体在多孔介质中的流动为达西流；雷诺数Re≥1,非达西等效渗透率和达西渗透率的比值小于95%,即非达西渗流引起的误差大于5%,如果误差控制在5%以内,雷诺数Re≥1时,计算过程中需要考虑非达西渗流的影响。本文将平均水力半径孔喉模型进一步扩展到非达西气液两相渗流,计算出液相和气相的达西渗透率、非达西等效渗透率、非达西因子的理论表达式,计算出相对渗透率和相对非达西因子理论表达式,在表达式中每个参数都具有明显的物理意义。最后,将三种Forchheimer型非达西渗流理论引入到矿井水害防治中,即分形孔喉模型,Ergun模型,平均水力半径孔喉模型用于计算水流失稳条件,分别得到突水临界阈值。从非线性动力学系统结构失稳的视角揭示矿井突水的机理。研究表明：矿井突水与岩层的孔隙率、颗粒直径、渗流液体的力学性质及水流速度等因素有关。当孔隙和颗粒直径越小,渗流越不容易失去稳态。反之,孔隙率和颗粒直径越大,渗流系统越容易失去稳态。本文还建立了“三带”串联阻力模型,将非达西渗流理论引入到矿井巷道漏风量的计算。渗透系数采用平均水力半径孔喉模型计算,渗透系数是煤的孔隙率、粒径、迂曲度等的函数,将其用于“三带”串联模型中计算出矿井漏风量,为了验证模型预测值的合理性,在荆各庄矿选取长410米有相邻采空区的直巷道进行验证,实验结果和理论预测符合的较好,证明了模型的合理性。本文有助于进一步深刻理解和认识孔隙率大、渗透率高的多孔介质的输运规律,弥补现有理论中对非达西渗流研究的不足,解决采矿工程、石油工程、地下水工程和工程地质等领域的非线性渗流问题,拓展非线性渗流的实际应用领域。
[Abstract]:In this paper , the theory and practice of fractal dimension , non - Darcy and non - Darcy equivalent permeability of fractured rock mass are studied . In this paper , the theory expression of Darcy ' s permeability , non - Darcy equivalent permeability and non - Darcy permeability is calculated and the relative permeability and relative non - Darcy flow rate are calculated . and the practical application field of non - linear seepage is expanded .

【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45

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