采动裂隙水砂混合物运移规律模拟研究

发布时间：2020-06-23 07:46

【摘要】：本文根据溃砂发生的地质条件特点简化了裂隙溃砂的工程地质模型,将其简化成薄基岩上方赋存一定厚度的富水砂层。自行设计并制作了裂隙溃砂试验系统,实现了对单一平直裂隙条件下的溃砂过程的试验模拟。考虑砂颗粒粒径、裂隙宽度、裂隙开度、裂隙倾角和水头高度等因素,分别对干砂和水砂混合物两种介质进行了不同因素条件下的模型试验。在试验过程中,对裂隙内部水砂混合物运移的状态进行了实时观测和图像采集,并对干砂和水砂混合物的质量流量和体积流量进行实时测量。获得了不同因素条件下,单一平直裂隙干砂运移和水砂混合物运移的运移状态及运移规律。根据试验结果,对干砂运移和水砂混合物运移的质量流量的规律进行了数据的分析和拟合。针对裂隙网络特点,以X形相交裂隙和平行交叉裂隙网络为研究对象,考虑裂隙夹角、裂隙开度、重力夹角、砂流流量、水头高度、水头高度差异以及砂流流量差异等因素,利用离散元法与计算流体力学方法进行了不同因素条件下X形相交裂隙干砂运移和水砂混合物运移以及平行交叉裂隙网络水砂混合物运移的数值模拟。获得了不同因素条件下X形相交裂隙干砂运移和水砂混合物运移的运移特点、砂流分配比例变化规律,以及水头高度对平行交叉裂隙网络内砂流分配比例和优势裂隙分布的影响规律。最后,以伊北煤田界梁子井田为背景,利用数值模拟手段研究并获得了导水裂隙带裂隙网络水砂混合物运移规律。本文取得的主要成果如下:(1)以伊北煤田界梁子井田为地质原型,依据其地质条件特征,分析得其在开采中面临导水裂缝带波及含水砂层引发溃砂灾害威胁,并估算了导水裂隙带高度。对地质条件和导水裂隙带裂隙网络进行简化,建立了裂隙溃砂的工程地质模型。并对裂隙网络中的关键裂隙形态进行了简化,简化后的裂隙网络为由一系列单一裂隙交叉构成的裂隙集合体。研究中由浅入深,分别对单一裂隙、X形相交裂隙和裂隙网络中的水砂流动规律开展研究。(2)在单一平直裂隙干砂运移过程中,砂颗粒的流动状态是稀疏状态,且稀疏的程度随着沿裂隙运动距离的增加而增强。根据运动特点与运移总质量流量随时间变化特点,单一平直裂隙干砂运移的过程可以分为三个阶段:启动阶段、稳定阶段、结束阶段。稳定阶段的水砂混合物运移质量流量与砂颗粒粒径、裂隙宽度、裂隙开度和裂隙倾角呈正相关关系。(3)在单一平直裂隙水砂混合物运移过程中,水砂混合物的流动状态是稀疏状态,但稀疏程度基本不随运动距离而变化。根据水砂混合物在裂隙内的运移状态与运移总质量和含砂量随时间的变化规律,单一平直裂隙水砂混合物运移的过程可分为四个阶段即启动阶段、稳定阶段、失稳阶段和结束阶段。在运移过程中水砂混合物的含砂量是在不断地下降的,初期含砂量高,稳定阶段则处于较稳定的状态,之后逐渐下降直至溃砂结束。稳定阶段的水砂混合物运移质量流量与颗粒粒径、裂隙宽度、裂隙开度、裂隙倾角和水头高度呈正相关关系。(4)在干砂运移条件下裂隙内溃砂启动条件为裂隙倾角大于干砂与裂隙壁面摩擦角和干砂休止角中的较小值。针对水砂混合物在裂隙内的状态和受力特点,获得了水砂混合物单一平直裂隙整体溃砂启动判据和局部溃砂启动判据。基于最小能量法建立了单一平直裂隙干砂运移质量流量表达式,发现干砂的质量流量与裂隙开度呈现1.5次方的正相关关系。(5)根据单一平直裂隙干砂运移和水砂混合物运移试验结果,获得了单一平直裂隙干砂运移和水砂混合物运移质量流量经验公式以及单一平直裂隙水砂混合物运移中砂和水的质量流量经验公式。此外,还发现单一平直裂隙运移过程中干砂的质量流量与裂隙开度呈1.5次方的正相关,水砂混合物运移的质量流量不满足1.5次关系。但是水砂混合物中砂的质量流量与裂隙开度呈现1.5次方的正相关关系,水砂混合物中水的质量流量与裂隙开度满足3次方的正相关系,且水的流动符合立方定律。(6)根据模拟X形相交裂隙中干砂运移过程获得了不同裂隙夹角、裂隙开度、重力夹角及砂流流量条件下干砂运移砂流分配比例变化规律。分析得到了干砂运移条件下与原裂隙倾向相同的裂隙砂流分配比例与裂隙夹角、裂隙开度呈正相关,重力方向夹角越小的裂隙在砂流分配比例上越占优势,而砂流流量对裂隙的砂流分配比例基本不造成影响。(7)根据模拟X形相交裂隙中水砂混合物运移过程获得了不同裂隙夹角、裂隙开度、重力夹角、砂流流量以及水头高度条件下水砂混合物运移砂流分配比例变化规律。分析得到了水砂混合物运移条件下裂隙夹角的增大会降低与原裂隙倾向相同的裂隙中的砂流分配比例,砂流流量和水头高度的增大会提高与原裂隙倾向相同的平直裂隙的砂流分配比例,但砂流流量的影响不显著。而裂隙开度的增大会在降低与原裂隙倾向相同的裂隙的砂流分配比例之后又导致其砂流分配比例的增大。重力夹角基本不影响砂流分配比例。此外,在X形相交裂隙中,水头高度差越大的裂隙越有可能成为优势通道。(8)根据平行交叉裂隙网络水砂混合物运移数值模拟结果,获得了水头高度对裂隙网络内砂流分配比例以及优势裂隙分布的影响规律。在水头高度较低的情况下,砂流运移的优势通道集中在进砂口底部,呈现锯齿状。而随着水头高度的升高,砂流运移的优势通道开始向外扩展,并逐渐加强。水头高度的升高,使得砂流运移的距离更远,将使得砂流的影响范围更大,且砂流更集中在影响范围的远端。(9)对伊北煤田界梁子井田煤层开采引起的裂隙溃砂模拟表明,导水裂隙带裂隙网络内砂流运移的优势通道是与含水砂层相连通的近似垂直裂隙。砂流在穿越导水裂隙带裂隙网络之后,其出口基本集中在导水裂隙带的两侧。因此,控制导水裂隙带的发展,对溃砂预防非常重要。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD32;P694
【图文】：

图 2-1 界梁子井田位置图[187]Figure 2-1 The location of the Jieliangzi Minefield2.1.2 地层岩性井田内地层由老至新依次有：石炭系中统奥依曼布拉克组；三叠系上统小泉沟群赫家沟组；侏罗系水西沟群八道湾组、三工河组；新近系、古近系和第四系，现分述如下，井田地层层序见表 2-1 所示。（1）石炭纪中统奥依曼布拉克组（C2）该地层岩性为灰绿～暗紫红色凝灰岩，矿物成分以长石、石英、绿帘石为主。（2）三叠纪中上统小泉沟群（T2－3xq）该地层不整合于石炭纪地层之上，为含煤岩系沉积基底，根据勘察钻孔揭穿该层厚度为 374.73m。该地层上部为一套灰绿、灰、灰褐色粉砂岩、泥岩及细砂岩，夹炭质泥岩薄层及薄煤线。粉砂岩中含菱铁质，局部含灰色粗砂岩及砂砾岩层。中部为一套灰褐、褐红、紫红色泥岩及粉砂岩层，夹绿色砾岩层。下部为一套暗红（紫）色泥岩及砾岩。（3）侏罗纪中下统水西沟群（J1-2sh）井田内出露的侏罗系水西沟群为下统八道湾组和三工河组。

图 2-2 裂隙网络简化过程示意图Figure 2-2 Schematic diagram of simplification of fracture network裂隙网络是由一系列单一裂隙组成的，因此水砂混合物在单一裂隙中的运移规律砂混合物在裂隙网络中运移的基础。只有在认识水砂混合物在单一裂隙中运移状规律的基础之上，才能更好地理解和探究水砂混合物裂隙网络运移过程中的运移移规律。因此，本文首先以单一平直裂隙为对象展开对单一裂隙水砂混合物运移究。裂隙网络与单一裂隙之间最大的区别在于，裂隙与裂隙之间相互连接与交错于裂隙的连接与交错使得裂隙对裂隙间水砂混合物运动产生有了相互影响与相在裂隙相交处裂隙间多为两两相交，因此裂隙两两相交实际上是裂隙网络的组成裂隙间的相互影响作用需要先对两两相交裂隙条件下水砂混合物运移规律进行，进而实现对更复杂的裂隙网络开展研究。故本文首先对 X 形相交裂隙水砂混合律进行研究，在此基础之上再对裂隙网络条件下水砂混合物运移规律进行探究。单一平直裂隙作为形态最简单的裂隙，其几何形态主要受到裂隙开度、裂隙宽度度和裂隙倾角等因素的控制，其中裂隙开度、裂隙宽度和裂隙倾角对干砂或水砂裂隙内的运移质量流量存在显著影响，而裂隙长度则不显著，因此本文单一平直

本文编号：2727023