考慮溶蝕遷移作用的承壓破碎岩體的滲流災變機理研究

《考慮溶蝕遷移作用的承壓破碎岩體的滲流災變機理研究》是依託中國礦業大學，由馮梅梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：考慮溶蝕遷移作用的承壓破碎岩體的滲流災變機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馮梅梅
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

溶蝕與顆粒遷移效應是誘發破碎岩體滲流突變的重要機制，但現有研究鮮有涉及。本項研究主要採用試驗分析、理論建模及數值軟體開發等手段，研究揭示考慮溶蝕與顆粒遷移效應的破碎岩體滲流特性及災變機理，主要內容：（1）溶蝕與顆粒遷移作用效應的表征、測試方法與技術、考慮溶蝕與顆粒遷移情況下滲透特徵量演化規律等；（2）考慮溶蝕與顆粒遷移情況下破碎岩體滲流系統動力學模型的建立，包括：質量守恆方程、動量守恆方程、質量流失率與試樣孔隙度和細小顆粒體積分數等參量的關係方程、系統的邊界條件與初始條件等；（3）套用岩體滲流力學理論，研究考慮溶蝕與顆粒遷移情況下破碎岩體滲流系統的穩定性特徵、給出系統發生失穩（突變）的類型及準則；（4）開發相關數值分析軟體，並用於煤礦承壓底板開採的突水防治實踐。本課題的研究成果將為煤礦突水機理的研究提供新的理論依據，對煤礦水害防治具有重要的理論意義和工程參考價值。

結題摘要

在承壓開採過程中，陷落柱及其附近岩體的應力場和滲流場發生變化，同時岩體裂隙網路和水滲透通道發生顯著變化；另一方面，由於充填物在高壓水作用下發生溶蝕，部分細小固體顆粒與水組成的兩相流體在岩體裂隙中遷移，劣化岩體孔隙結構和骨架結構。當陷落柱中細小顆粒流失到一定程度時，岩塊骨架的裂隙結構失穩，滲流速度急劇增大，發生滲流突變，引發突水。因此，對破碎岩石的內部結構演化和滲透特性進行深入地研究，有利於人們理解破碎岩體的工程行為，對於煤礦水害防治具有重要的理論意義和工程價值。 本項目採取物理實驗、理論建模和數值模擬等手段對承壓破碎岩體滲流系統的時空演化進行研究，主要探討溶蝕遷移作用對破碎岩體滲透特性演化規律的影響，分析了破碎岩體滲流過程中的質量流失規律，建立承壓破碎岩體滲流系統的突變模型，並探討了高承壓水作用下陷落柱內部顆粒礦物運移及滲流突變的時空演化過程，揭示了采場底板隱伏陷落柱的活化機理取得了以下重要結果： ①溶蝕遷移作用下承壓破碎岩石的滲透試驗表明，傳統的質量守恆條件下岩土材料滲透特性的測試方法（即在試樣兩端面加蓋毛氈或濾布，防止岩土顆粒的流失）被擴大化地套用在存在質量流失條件下的工程中，其不能解釋岩土體存在質量流失造成的孔隙度增大和滲透特性增大的工程行為。破碎岩石滲流過程中存在礦物溶蝕和顆粒遷移等質量流失行為，嚴重劣化岩體的孔隙結構和骨架結構。研製了一套可測量質量流失條件下破碎岩石滲透特性的試驗系統，推導出破碎岩石滲透性參量的計算方法。 ②溶蝕遷移作用下承壓破碎岩石的滲透特性演化規律和質量流失規律表明，流失質量和孔隙度與時間呈指數關係，與滲透壓力、初始孔隙度、充填物與骨架質量比呈正相關關係，與岩石骨架Talbot指數呈負相關關係。質量流失嚴重影響了破碎岩石的滲透特性，當破碎岩石中細小顆粒流失到一定程度時，骨架的裂隙結構失穩，滲流速度急劇增大，發生滲流突變，引發突水，且突水量與破碎岩石中細小顆粒含量密切相關。 ③溶蝕遷移作用下承壓破碎岩體滲流系統表現出明顯的時變性和非線性特徵，其滲透特性隨著陷落柱內充填物顆粒的遷移流失而不斷增大，最終導致了底板陷落柱突水。在一定的條件下，隨著工作面不斷向陷落柱推進，工作面與陷落柱之間的導水裂隙帶不斷演化，形成導水通道。底板承壓含水層的水沿陷落柱與工作面間的導水裂隙帶湧入採空區，發生底板陷落柱突水。