發(fā)布時間：2020-06-23 07:46

【摘要】：本文根據(jù)潰砂發(fā)生的地質(zhì)條件特點簡化了裂隙潰砂的工程地質(zhì)模型,將其簡化成薄基巖上方賦存一定厚度的富水砂層。自行設(shè)計并制作了裂隙潰砂試驗系統(tǒng),實現(xiàn)了對單一平直裂隙條件下的潰砂過程的試驗?zāi)M�？紤]砂顆粒粒徑、裂隙寬度、裂隙開度、裂隙傾角和水頭高度等因素,分別對干砂和水砂混合物兩種介質(zhì)進行了不同因素條件下的模型試驗。在試驗過程中,對裂隙內(nèi)部水砂混合物運移的狀態(tài)進行了實時觀測和圖像采集,并對干砂和水砂混合物的質(zhì)量流量和體積流量進行實時測量。獲得了不同因素條件下,單一平直裂隙干砂運移和水砂混合物運移的運移狀態(tài)及運移規(guī)律。根據(jù)試驗結(jié)果,對干砂運移和水砂混合物運移的質(zhì)量流量的規(guī)律進行了數(shù)據(jù)的分析和擬合。針對裂隙網(wǎng)絡(luò)特點,以X形相交裂隙和平行交叉裂隙網(wǎng)絡(luò)為研究對象,考慮裂隙夾角、裂隙開度、重力夾角、砂流流量、水頭高度、水頭高度差異以及砂流流量差異等因素,利用離散元法與計算流體力學(xué)方法進行了不同因素條件下X形相交裂隙干砂運移和水砂混合物運移以及平行交叉裂隙網(wǎng)絡(luò)水砂混合物運移的數(shù)值模擬。獲得了不同因素條件下X形相交裂隙干砂運移和水砂混合物運移的運移特點、砂流分配比例變化規(guī)律,以及水頭高度對平行交叉裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)砂流分配比例和優(yōu)勢裂隙分布的影響規(guī)律。最后,以伊北煤田界梁子井田為背景,利用數(shù)值模擬手段研究并獲得了導(dǎo)水裂隙帶裂隙網(wǎng)絡(luò)水砂混合物運移規(guī)律。本文取得的主要成果如下:(1)以伊北煤田界梁子井田為地質(zhì)原型,依據(jù)其地質(zhì)條件特征,分析得其在開采中面臨導(dǎo)水裂縫帶波及含水砂層引發(fā)潰砂災(zāi)害威脅,并估算了導(dǎo)水裂隙帶高度。對地質(zhì)條件和導(dǎo)水裂隙帶裂隙網(wǎng)絡(luò)進行簡化,建立了裂隙潰砂的工程地質(zhì)模型。并對裂隙網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵裂隙形態(tài)進行了簡化,簡化后的裂隙網(wǎng)絡(luò)為由一系列單一裂隙交叉構(gòu)成的裂隙集合體。研究中由淺入深,分別對單一裂隙、X形相交裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水砂流動規(guī)律開展研究。(2)在單一平直裂隙干砂運移過程中,砂顆粒的流動狀態(tài)是稀疏狀態(tài),且稀疏的程度隨著沿裂隙運動距離的增加而增強。根據(jù)運動特點與運移總質(zhì)量流量隨時間變化特點,單一平直裂隙干砂運移的過程可以分為三個階段:啟動階段、穩(wěn)定階段、結(jié)束階段。穩(wěn)定階段的水砂混合物運移質(zhì)量流量與砂顆粒粒徑、裂隙寬度、裂隙開度和裂隙傾角呈正相關(guān)關(guān)系。(3)在單一平直裂隙水砂混合物運移過程中,水砂混合物的流動狀態(tài)是稀疏狀態(tài),但稀疏程度基本不隨運動距離而變化。根據(jù)水砂混合物在裂隙內(nèi)的運移狀態(tài)與運移總質(zhì)量和含砂量隨時間的變化規(guī)律,單一平直裂隙水砂混合物運移的過程可分為四個階段即啟動階段、穩(wěn)定階段、失穩(wěn)階段和結(jié)束階段。在運移過程中水砂混合物的含砂量是在不斷地下降的,初期含砂量高,穩(wěn)定階段則處于較穩(wěn)定的狀態(tài),之后逐漸下降直至潰砂結(jié)束。穩(wěn)定階段的水砂混合物運移質(zhì)量流量與顆粒粒徑、裂隙寬度、裂隙開度、裂隙傾角和水頭高度呈正相關(guān)關(guān)系。(4)在干砂運移條件下裂隙內(nèi)潰砂啟動條件為裂隙傾角大于干砂與裂隙壁面摩擦角和干砂休止角中的較小值。針對水砂混合物在裂隙內(nèi)的狀態(tài)和受力特點,獲得了水砂混合物單一平直裂隙整體潰砂啟動判據(jù)和局部潰砂啟動判據(jù)�；谧钚∧芰糠ń⒘藛我黄街绷严陡缮斑\移質(zhì)量流量表達式,發(fā)現(xiàn)干砂的質(zhì)量流量與裂隙開度呈現(xiàn)1.5次方的正相關(guān)關(guān)系。(5)根據(jù)單一平直裂隙干砂運移和水砂混合物運移試驗結(jié)果,獲得了單一平直裂隙干砂運移和水砂混合物運移質(zhì)量流量經(jīng)驗公式以及單一平直裂隙水砂混合物運移中砂和水的質(zhì)量流量經(jīng)驗公式。此外,還發(fā)現(xiàn)單一平直裂隙運移過程中干砂的質(zhì)量流量與裂隙開度呈1.5次方的正相關(guān),水砂混合物運移的質(zhì)量流量不滿足1.5次關(guān)系。但是水砂混合物中砂的質(zhì)量流量與裂隙開度呈現(xiàn)1.5次方的正相關(guān)關(guān)系,水砂混合物中水的質(zhì)量流量與裂隙開度滿足3次方的正相關(guān)系,且水的流動符合立方定律。(6)根據(jù)模擬X形相交裂隙中干砂運移過程獲得了不同裂隙夾角、裂隙開度、重力夾角及砂流流量條件下干砂運移砂流分配比例變化規(guī)律。分析得到了干砂運移條件下與原裂隙傾向相同的裂隙砂流分配比例與裂隙夾角、裂隙開度呈正相關(guān),重力方向夾角越小的裂隙在砂流分配比例上越占優(yōu)勢,而砂流流量對裂隙的砂流分配比例基本不造成影響。(7)根據(jù)模擬X形相交裂隙中水砂混合物運移過程獲得了不同裂隙夾角、裂隙開度、重力夾角、砂流流量以及水頭高度條件下水砂混合物運移砂流分配比例變化規(guī)律。分析得到了水砂混合物運移條件下裂隙夾角的增大會降低與原裂隙傾向相同的裂隙中的砂流分配比例,砂流流量和水頭高度的增大會提高與原裂隙傾向相同的平直裂隙的砂流分配比例,但砂流流量的影響不顯著。而裂隙開度的增大會在降低與原裂隙傾向相同的裂隙的砂流分配比例之后又導(dǎo)致其砂流分配比例的增大。重力夾角基本不影響砂流分配比例。此外,在X形相交裂隙中,水頭高度差越大的裂隙越有可能成為優(yōu)勢通道。(8)根據(jù)平行交叉裂隙網(wǎng)絡(luò)水砂混合物運移數(shù)值模擬結(jié)果,獲得了水頭高度對裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)砂流分配比例以及優(yōu)勢裂隙分布的影響規(guī)律。在水頭高度較低的情況下,砂流運移的優(yōu)勢通道集中在進砂口底部,呈現(xiàn)鋸齒狀。而隨著水頭高度的升高,砂流運移的優(yōu)勢通道開始向外擴展,并逐漸加強。水頭高度的升高,使得砂流運移的距離更遠,將使得砂流的影響范圍更大,且砂流更集中在影響范圍的遠端。(9)對伊北煤田界梁子井田煤層開采引起的裂隙潰砂模擬表明,導(dǎo)水裂隙帶裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)砂流運移的優(yōu)勢通道是與含水砂層相連通的近似垂直裂隙。砂流在穿越導(dǎo)水裂隙帶裂隙網(wǎng)絡(luò)之后,其出口基本集中在導(dǎo)水裂隙帶的兩側(cè)。因此,控制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)展,對潰砂預(yù)防非常重要。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD32;P694
【圖文】：

圖 2-1 界梁子井田位置圖[187]Figure 2-1 The location of the Jieliangzi Minefield2.1.2 地層巖性井田內(nèi)地層由老至新依次有：石炭系中統(tǒng)奧依曼布拉克組；三疊系上統(tǒng)小泉溝群赫家溝組；侏羅系水西溝群八道灣組、三工河組；新近系、古近系和第四系，現(xiàn)分述如下，井田地層層序見表 2-1 所示。（1）石炭紀中統(tǒng)奧依曼布拉克組（C2）該地層巖性為灰綠～暗紫紅色凝灰?guī)r，礦物成分以長石、石英、綠簾石為主。（2）三疊紀中上統(tǒng)小泉溝群（T2－3xq）該地層不整合于石炭紀地層之上，為含煤巖系沉積基底，根據(jù)勘察鉆孔揭穿該層厚度為 374.73m。該地層上部為一套灰綠、灰、灰褐色粉砂巖、泥巖及細砂巖，夾炭質(zhì)泥巖薄層及薄煤線。粉砂巖中含菱鐵質(zhì)，局部含灰色粗砂巖及砂礫巖層。中部為一套灰褐、褐紅、紫紅色泥巖及粉砂巖層，夾綠色礫巖層。下部為一套暗紅（紫）色泥巖及礫巖。（3）侏羅紀中下統(tǒng)水西溝群（J1-2sh）井田內(nèi)出露的侏羅系水西溝群為下統(tǒng)八道灣組和三工河組。

圖 2-2 裂隙網(wǎng)絡(luò)簡化過程示意圖Figure 2-2 Schematic diagram of simplification of fracture network裂隙網(wǎng)絡(luò)是由一系列單一裂隙組成的，因此水砂混合物在單一裂隙中的運移規(guī)律砂混合物在裂隙網(wǎng)絡(luò)中運移的基礎(chǔ)。只有在認識水砂混合物在單一裂隙中運移狀規(guī)律的基礎(chǔ)之上，才能更好地理解和探究水砂混合物裂隙網(wǎng)絡(luò)運移過程中的運移移規(guī)律。因此，本文首先以單一平直裂隙為對象展開對單一裂隙水砂混合物運移究。裂隙網(wǎng)絡(luò)與單一裂隙之間最大的區(qū)別在于，裂隙與裂隙之間相互連接與交錯于裂隙的連接與交錯使得裂隙對裂隙間水砂混合物運動產(chǎn)生有了相互影響與相在裂隙相交處裂隙間多為兩兩相交，因此裂隙兩兩相交實際上是裂隙網(wǎng)絡(luò)的組成裂隙間的相互影響作用需要先對兩兩相交裂隙條件下水砂混合物運移規(guī)律進行，進而實現(xiàn)對更復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)開展研究。故本文首先對 X 形相交裂隙水砂混合律進行研究，在此基礎(chǔ)之上再對裂隙網(wǎng)絡(luò)條件下水砂混合物運移規(guī)律進行探究。單一平直裂隙作為形態(tài)最簡單的裂隙，其幾何形態(tài)主要受到裂隙開度、裂隙寬度度和裂隙傾角等因素的控制，其中裂隙開度、裂隙寬度和裂隙傾角對干砂或水砂裂隙內(nèi)的運移質(zhì)量流量存在顯著影響，而裂隙長度則不顯著，因此本文單一平直

本文編號：2727023