誘發(fā)突水潰沙災(zāi)害的水沙動(dòng)力學(xué)特征及耦合試驗(yàn)研究.pdf

1、我國西部干旱半干旱礦區(qū)在特殊的自然地理、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境條件下,其煤層開采過程中引起的突水潰沙問題是主要的地質(zhì)災(zāi)害問題之一。西部典型的淺埋深、薄基巖、富含潛水、厚松散層地質(zhì)條件,特別是第四系和新近系流沙層由于形成時(shí)期較晚,壓實(shí)作用及重結(jié)晶作用不發(fā)育,顆粒之間的膠結(jié)微弱,在一定條件水壓下,常常導(dǎo)致水沙混合流突涌。
　　本文重點(diǎn)以誘發(fā)突水潰沙的水沙兩相流為研究對象,綜合采用理論分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法對孔隙介質(zhì)中水沙兩相流的運(yùn)移特征、水

2、沙動(dòng)力條件及形態(tài)演化規(guī)律進(jìn)行了研究。
　　首先,對潰沙案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,再選擇我國西部五個(gè)典型煤田作為地質(zhì)原型進(jìn)行研究,分析了其分布范圍、地質(zhì)條件、第四系松散層構(gòu)成及含水性,概括出三類水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,分析研究了部分區(qū)域的第四系松散沉積物的粒徑級配的分布,明確了水沙兩相流運(yùn)移的水流方向和試樣沙體的顆粒級配參數(shù)特征。自主研制了由水流控制系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及水沙收集系統(tǒng)四部分組成的SYJ-CM型水沙運(yùn)移模擬試驗(yàn)裝置,設(shè)計(jì)了

3、相應(yīng)的試驗(yàn)方法。
　　然后,通過對14組試驗(yàn)(12組設(shè)計(jì)沙樣及2組自然條件下沙樣)過程的觀察記錄以及分析處理,定性得出了水沙兩相流的運(yùn)移過程中的相關(guān)規(guī)律,包括顆粒沖刷特征、運(yùn)移特征、顆粒流失特征、孔隙水壓力的變化、沖刷面形成的坡角大小,定量刻畫了運(yùn)移穩(wěn)定或似穩(wěn)定時(shí)的擴(kuò)展剖面形態(tài),并分析了其它因素對突水潰沙的影響。利用自然沙樣的測試結(jié)果驗(yàn)證了配制試樣結(jié)果的可靠性,并利用所有相關(guān)數(shù)據(jù)得出水沙兩相流的水沙動(dòng)力條件為突水潰沙通道形成條件下

4、水流速及飽和水壓大小均對突水潰沙的產(chǎn)生無本質(zhì)性影響,僅影響潰沙的連續(xù)性和潰入快慢。利用得到的水動(dòng)力條件對地質(zhì)原型進(jìn)行了突水潰沙難易程度的評價(jià),認(rèn)為神東井田易發(fā)生突水潰沙事故。
　　最后,定量化的研究了突水潰沙的形態(tài)演化規(guī)律,給出了在不同水動(dòng)力條件下三類沙層結(jié)構(gòu)突水潰沙時(shí)擴(kuò)展半徑的預(yù)測公式,并分析了突水潰沙的時(shí)間特征、空間特征,提出了潰沙量的預(yù)測公式,從而為突水潰沙的演化規(guī)律分析、災(zāi)害規(guī)模預(yù)測、突水潰沙災(zāi)害的機(jī)理研究和防治提供科學(xué)依