本文關鍵詞：破碎巖體非達西滲流研究及其應用　出處：《中國地質大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：破碎巖體可分為兩類：一類是堆積破碎巖體,因工程開挖而破碎冒落并在高壓作用下可再次壓實的破碎巖體,比如采礦中因采動作用而冒落的上覆巖層堆積體；另一類是原位破碎巖體,即受構造及采動作用破碎后仍處于原來位置的,比如斷層破碎帶、巷道開挖后周圍的松動圈巖體等。破碎巖體與完整、致密巖體相比,具有孔隙度大、滲透性強等特點,滲透系數(shù)高出完整巖體一至數(shù)個量級,因此,因滲流導致的重大災害事故多發(fā)生在破碎巖體中。破碎巖體滲流的研究是基礎研究,這個研究與采礦工程、石油工程、地下水工程等一系列領域有關,對促進生產(chǎn)安全有著重要的理論和實際意義。本文從以下幾個方面對堆積破碎巖體滲流進行了研究。首先,根據(jù)破碎巖體孔隙率大、滲透性強、滿足分形分布的特點,本文將非線性數(shù)學中的分形幾何理論和技術與多孔介質流體動力學相結合,建立了描述破碎巖體非達西滲透特性的分形繞流阻力模型。針對松散堆積破碎巖體提出繞流阻力分形分析的新研究方法,揭示除毛細管模型外,繞流阻力模型也可用來描述流體在介質中的流動,分形分析揭示了多孔介質微觀結構分形維數(shù)、迂曲度等對流體流動的影響機理。提出當雷諾數(shù)在20-1000時,阻力系數(shù)可能是從10-13漸變的,而不是在雷諾數(shù)是500時發(fā)生了突變,這更符合實際情況。其次,本文進一步研究了平均水力半徑孔喉模型,通過對比平均水力半徑孔喉模型理論表達式和Forchheimer方程,可求出達西滲透率、非達西因子、非達西等效滲透率的理論表達式。達西滲透率與孔隙率、顆粒平均粒徑、迂曲度有關,與雷諾數(shù)無關,結論與滲透率定義中滲透率只與介質骨架有關而與介質中流體的流動無關一致。非達西等效滲透率是雷諾數(shù)的函數(shù),隨雷諾數(shù)增加而減小,這個結論與Barree和Conway采用無量綱得到的結果一致。非達西等效滲透率采用無量綱的形式,可求得非達西等效滲透率和達西滲透率的比例系數(shù),在采礦工程和石油工程中,經(jīng)常采用達西滲流忽略非達西滲流,往往造成很大的誤差。在實際應用中,可用這個比值對達西滲透率進行修正,減小誤差。計算得出巖體滲流的達西和非達西流的臨界閾值,雷諾數(shù)小于0.1時,非達西等效滲透率和達西滲透率的比值大于99%,即非達西滲流引起的誤差小于1%,可以認為流體在多孔介質中的流動為達西流；雷諾數(shù)Re≥1,非達西等效滲透率和達西滲透率的比值小于95%,即非達西滲流引起的誤差大于5%,如果誤差控制在5%以內(nèi),雷諾數(shù)Re≥1時,計算過程中需要考慮非達西滲流的影響。本文將平均水力半徑孔喉模型進一步擴展到非達西氣液兩相滲流,計算出液相和氣相的達西滲透率、非達西等效滲透率、非達西因子的理論表達式,計算出相對滲透率和相對非達西因子理論表達式,在表達式中每個參數(shù)都具有明顯的物理意義。最后,將三種Forchheimer型非達西滲流理論引入到礦井水害防治中,即分形孔喉模型,Ergun模型,平均水力半徑孔喉模型用于計算水流失穩(wěn)條件,分別得到突水臨界閾值。從非線性動力學系統(tǒng)結構失穩(wěn)的視角揭示礦井突水的機理。研究表明：礦井突水與巖層的孔隙率、顆粒直徑、滲流液體的力學性質及水流速度等因素有關。當孔隙和顆粒直徑越小,滲流越不容易失去穩(wěn)態(tài)。反之,孔隙率和顆粒直徑越大,滲流系統(tǒng)越容易失去穩(wěn)態(tài)。本文還建立了“三帶”串聯(lián)阻力模型,將非達西滲流理論引入到礦井巷道漏風量的計算。滲透系數(shù)采用平均水力半徑孔喉模型計算,滲透系數(shù)是煤的孔隙率、粒徑、迂曲度等的函數(shù),將其用于“三帶”串聯(lián)模型中計算出礦井漏風量,為了驗證模型預測值的合理性,在荊各莊礦選取長410米有相鄰采空區(qū)的直巷道進行驗證,實驗結果和理論預測符合的較好,證明了模型的合理性。本文有助于進一步深刻理解和認識孔隙率大、滲透率高的多孔介質的輸運規(guī)律,彌補現(xiàn)有理論中對非達西滲流研究的不足,解決采礦工程、石油工程、地下水工程和工程地質等領域的非線性滲流問題,拓展非線性滲流的實際應用領域。
[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 .

【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45

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本文編號：1422420