破裂破碎岩样流固耦合渗透试验研究.pdf

万方数据 论文题目破裂破碎岩样流固耦合渗透试验研究 专 业工程力学 硕 士 生任金虎 （签名） 指导教师张天军 （签名） 摘要 在煤层掘进或回采过程中，采动岩体会发生破裂或破碎现象，诱发井巷突水或煤与 瓦斯突出等多种动力灾害。根据研究方法和渗流特性，采动岩体渗流分为破裂岩样渗流 和破碎岩样渗流两部分。研究采动岩体流固耦合渗透规律，对减少矿山灾害，保障矿山 安全生产具有重要的工程意义。 在破裂岩样渗流研究方面，本文利用控制砂粒粗细的方法，通过自主研发的高度可 调式煤岩试样制备装置（ZL201420165076.5）制备不同孔隙度的圆形薄板试样，使用 RSM-SY7 超声波循测仪测其孔隙度。在 DDL600 电子万能试验机上进行了中心受压圆 形薄板试样弯曲变形过程中的渗透特性试验； 研究了孔隙度对圆形薄板试样轴向抗压强 度、 初始渗透率的影响和对圆形薄板试样弯曲变形过程中轴向载荷与渗流量出现峰值的 时间差的影响；研究了圆形薄板试样弯曲变形过程中渗透率的变化规律。结果表明中 心受压圆形薄板试样孔隙度较大时，其弯曲变形过程中轴向载荷 F 峰值先于流量 Q 峰 值出现，反之，其流量 Q 峰值先于轴向载荷 F 峰值出现。 在破碎岩样渗流研究方面，本文通过对多种矿物成分破碎岩样和混合破碎岩样的渗 流特性进行试验研究采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩、破碎煤矸石及三种岩样 的混合样进行渗透试验，分析粒径、有效应力和孔隙度对破碎岩石渗透性参量的影响。 结果表明破碎岩样随孔隙度增加，其渗透率增大，非 Darcy 流 β 因子减小；孔隙度大 于 0.4 左右时，渗透率增加幅度变大，而当孔隙度小于 0.35 左右时，非 Darcy 流 β 因子 变化较大；随孔隙度变大，单种岩样比混合岩样渗透率的变化幅度大，而因粒径不同非 Darcy 流 β 因子不同。 采掘过程中，破碎煤岩体孔隙度受矿山压力持续影响，若其连续减小将会使周围流 体压力持续增加，成为诱发突水、煤与瓦斯突出等煤矿灾害的重要诱因。本文提出通过 连续加载轴向位移的方式，研究孔隙度连续变化的破碎砂岩渗透特性。结果表明孔隙 度持续减小时，加速度系数和非 Darcy 流 β 因子与渗透压差的变化曲线呈现先上升后下 降的趋势。 针对因试验仪器的限制，导致破裂岩样渗流试验的承压水作用不可考虑和破碎岩样 万方数据 渗流试验的围压不可调控两个问题，提出相应的装置设计方案和解决方法。 关 键 词破裂岩样；破碎岩样；流固耦合；渗透特性；有效应力；孔隙度 研究类型应用研究 万方数据 Subject Experimental Study on The Fluid-solid Coupling Permeability of Fracted and Broken Rock Sample Specialty Engineering Mechanics Name Ren Jinhu （（signature）） Instructor Zhang Tianjun （（signature）） ABSTRACT In the process of coal driving or backstopping, mining rock happens fracted and broken phenomenon, it will induce dynamic disasters, such as water inrush, coal and gas outburst. According to the research and the seepage characteristics, Mining rock seepage is divided into two parts, fracted rock seepage and broken rock seepage. The study on fluid-solid coupling permeability of mining rock has important engineering significance to reduce the mine disasters and ensure the safety of mine production. In the study of fracted rock seepage, by indigenous height adjustable coal sample preparation device ZL201420165076.5, using the of sand thickness control the thesis makes circular thin plate specimens with different porosity, RSM-SY7 automatic ultrasonic measuring instrument with foundation piles and more cross-holes is used to measure and mark the values of porosity. Permeability test in the process of bend and deation of thin circular plate specimens under axial compression is carried out by DDL600 electronic universal testing machine and self-developed infiltration testing device; the axial compressive strength and initial permeability of the circular thin plate specimens caused by porosity are investigated; time difference between axial load and peak of seepage flow, caused by the porosity, in deation process of the circular thin plate bending specimen, is also explored; The permeability variation of circular thin plate specimens in the process of bending deflection is also studied. The result of the tests indicates When the porosity of the sample is becoming larger, the axial loadpeak value of Fmax emerges prior to the flow of Q peak. Conversely, the flow of Q peak emerges prior to the axial loadpeak value of Fmax. In the study of broken rock seepage, the thesis studies the flow characteristics of a variety of mineral crushing rock samples and mixed broken rock sample The steady-state osmosis penetration tests were carried out on broken sandstone, broken mudstone, broken coal gangue 万方数据 and mixed broken rock sample to analyze the influence of the particle size, effective stress and porosity on broken rock permeability parameters. The experimental results show that with the increase of the porosity, the broken rock permeability increases, but Non Darcy flowfactor decreases, and in the larger porosity more than 0.4 or so the magnitude of permeability increase is bigger, but in the smaller porosity less than 0.35 or so non Darcy flowfactor changes greatly; With the increase of porosity, variations in the permeability of single samples are bigger than mixed samples, and on the basis of different particle size, the mixed sample of non Darcyflow factor is not necessarily greater than the single sample. Broken coal and rock porosity are continuously influenced by mining pressure in the process of mining. If the porosity continuously decreases, the surrounding fluid pressure will continuously increase. It will become an important cause of coal mine disasters, such as water inrush, coal and gas outburst, through the loading ways of continuously changing axial displacement, the infiltration rules of fractured sandstone are explored in the process of the continuous variation of porosity. The experimental results show that with the increase of osmotic pressure difference, non Darcy flow β factor and acceleration coefficient show a overall trend of decrease after the first increase in the process of continuous variation of porosity. The limitation of test instruments led to the two problems fracted rock seepage test do not consider the effect of confined water and broken rock seepage test cannot control confining pressure. According to the two problems, this thesis puts forward the corresponding design of device and solutions. Key words Fracted rock; Broken rock; Fluid-solid coupling; Permeability characteristics; Effective stress; Porosity Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................... 1 1.2 本课题国内外研究的动态及发展趋势 ....................................................................... 2 1.2.1 破裂岩样渗流研究现状 ..................................................................................... 2 1.2.2 破碎岩样渗流研究现状 ..................................................................................... 3 1.3 论文的主要内容及技术路线 ....................................................................................... 4 1.3.1 论文的主要内容 ................................................................................................. 4 1.3.2 技术路线 ............................................................................................................. 6 2 破裂岩样渗透特性试验研究 ................................................................................................. 7 2.1 引言 ............................................................................................................................... 7 2.2 试验原理 ....................................................................................................................... 7 2.2.1 圆形薄板的孔隙度控制方法 ............................................................................. 7 2.2.2 圆形薄板制作模具的介绍 ................................................................................. 9 2.2.3 渗透特性理论及模型的建立 ........................................................................... 10 2.3 圆形薄板制备及试验方法 ......................................................................................... 12 2.3.1 圆形薄板制备 ................................................................................................... 12 2.3.2 试验方法 ........................................................................................................... 13 2.4 试验结果与数据处理 ................................................................................................. 14 2.5 试验现象与分析 ......................................................................................................... 15 2.6 本章小结 ..................................................................................................................... 18 3 破碎岩样渗透特性试验研究 .............................................................................................. 20 3.1 多种矿物成分破碎岩石渗透试验研究 ..................................................................... 20 3.1.1 引言 ................................................................................................................... 20 3.1.2 试验原理 ........................................................................................................... 20 3.1.3 试验前的准备和岩样的制备 ........................................................................... 22 3.1.4 试验系统和试验方法 ....................................................................................... 23 3.1.5 试验数据处理和现象分析 ............................................................................... 25 3.2 混合破碎岩样渗透特性试验研究 ............................................................................. 32 3.2.1 岩样的制备 ....................................................................................................... 32 3.2.2 试验数据处理和现象分析 ............................................................................... 32 万方数据 目 录 II 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 35 4 孔隙度连续变化的破碎砂岩渗透特性研究 ....................................................................... 37 4.1 引言 ............................................................................................................................. 37 4.2 积分式模型的建立 ..................................................................................................... 37 4.3 孔隙度连续变化渗流试验方法及测试结果 ............................................................. 38 4.4 试验现象与结果分析 ................................................................................................. 40 4.5 本章小结 ..................................................................................................................... 44 5 试验所遇问题及解决方法 ................................................................................................... 46 5.1 引言 ............................................................................................................................. 46 5.2 圆形薄板渗透特性试验不可考虑承压水的作用问题 ............................................. 46 5.2.1 设计背景 ........................................................................................................... 46 5.2.2 弯曲岩样渗透性装置设计方案 ....................................................................... 46 5.2.3 弯曲岩样渗透性装置使用方法 ....................................................................... 48 5.3 破碎岩样渗流试验的围压不可调控问题 ................................................................. 48 5.3.1 设计背景 ........................................................................................................... 48 5.3.2 破碎岩样渗透装置设计方案一 ....................................................................... 49 5.3.3 破碎岩样渗透装置设计方案二 ....................................................................... 50 5.3.4 围压可调的破碎岩石三轴渗流试验系统及方法 ........................................... 52 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 59 6.1 结论 ............................................................................................................................. 59 6.2 展望 ............................................................................................................................. 60 致 谢 ...................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附 录 ........................................................................................................................................ 67 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 我国是全球产煤大国之一，也是煤炭消耗量较大的国家。据 1996 年统计，我国煤 炭的可采储量位于世界第三，煤炭年开采量约 10 亿吨。煤炭开采已变成我国经济迅猛 发展不可或缺的部分。我国煤炭近况我国在丰富的自然资源中，基本特征是煤富、油 贫和气少，如此决定了煤炭在基础能源中无可取代的地位。与石油、天然气相比，我国 煤炭的可采储量比较丰富，占全球可采储量的 11.60。我国煤炭总储量为 5.6 万亿吨， 其中已经探明量为 1 万亿吨，占全球总量的 11。自建国以来，煤炭资源在我国一次能 源开采和消耗中的比例持续多年占 70之上。2005 年，我国一次能源标准煤产出量为 12.3 亿吨，其中包括煤炭为 7.85 亿吨标准煤可折合为 11 亿吨原煤，仍约占 63.8。 据煤炭行业专家预测，在二十一世纪前 30 年之内，煤炭行业在全国一次性能源结构中 仍处于重要地位。全国的煤炭储存分布较为广泛但不均匀。我国除上海市外，其它的省 区和市地下均存在探明储量。从地域分布看，可采探明储量较为集中地分布在山西省、 内蒙古省、陕西省、云南省、贵州省、河南省和安徽省等，七个省的可采探明储量占我 国总储存量的 81.8，分布整体上呈现“西多东少”和“北多南少”的特征。目前全国煤炭 行业生产的机械化程度低，带来掘进和采煤效率低，劳动力占用过多，成本高，煤炭生 产的安全等突显的问题日益严重。 在 1952 年， 位于法国的 Malpasset 大坝事故的最重要原因之一是未预料到大坝建成 后应力的变化导致大坝基础以下导水断层的渗透系数增大约 100 倍。近几年来，在地下 深部的核废料库等工程建设中也探测到因岩体构造加高应力的作用会导致围岩的渗透 系数变大 1～2 个数量级[1]。据统计资料记录[2-4]，在 19901999 年期间，全国煤矿行业 引发死亡 10 人以上的重大事故约 700 次，死亡的总人数超过 10000 人，在这些重特大 煤矿事故中，因矿井突水和煤与瓦斯突出而引发的事故占 80以上。在 2000 年-2004 年 期间，我国煤矿行业因矿井突水和煤与瓦斯突出而引发的事故共 815 起，导致死亡人数 为 760 人，其间一次死亡 10 人以上的事故共 12 起，死亡 334 人。统计表明，全国累计 发生煤与瓦斯突出灾害 20000 余次，占全球煤与瓦斯突出总数的 37，成为全球发生煤 与瓦斯突出问题最严重的国家之一 [5]。 因此， 防止发生矿井突水和煤与瓦斯突出等矿井灾害已成为我国采矿工程领域研究 的重中之重。这些煤矿灾害事故与水和瓦斯在采动岩体中的渗流密切相关，例 79.5的 煤矿开采工作面底板突水事故是发生在有断层等构造的破裂底板中， 采空区老塘周围的 破碎岩体是瓦斯天然仓库，其中的瓦斯浓度比工作面处高出几十倍。与此相反，因岩体 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 裂缝隙的渗透率比孔隙渗透率高得多， 煤炭开采工程师们也往往采用采动支承压力作用 下煤层塑性破碎后的渗透性变大原理，实行本层瓦斯抽放开采技术，水力压裂采集瓦斯 和降低瓦斯浓度也是同样的道理。由此可见，研究以破裂破碎岩样介质为特征的采动岩 体渗流对提高采矿效率、 保护安全环境和丰富矿山岩石力学内涵均具有非常重要的实际 意义。 采动岩体渗流是采动岩体力学行为研究的重要方面。 根据渗流特性和研究方法的不 同，采动岩体渗流可分为破裂岩样渗流和破碎岩样渗流[5]两部分，前者以破裂岩样为基 本介质，主要讨论裂隙渗流规律及失稳分叉条件，后者以破碎岩样为基本介质，主要讨 论夹缝渗流规律及流场随机分布演化等。 目前，在研究破裂岩样渗流方面，不同孔隙和裂隙的矿井顶底板在采动过程中承受 弯曲作用时，其渗流特性与有效应力和渗透压差等之间的规律研究甚少；在研究破碎岩 样渗流方面，从应力场-渗流场-裂隙场三场耦合角度对采动混合破碎岩样的渗透特性研 究较少；在研究孔隙度对采动岩体渗流影响方面，通过控制孔隙度连续变化研究采动岩 体渗透特性亦鲜见。因此，本文试图通过调配砂子的粒径控制圆形薄板的孔隙度，采用 自制的试验模具制作圆形薄板，经过声波仪探测声波在圆形薄板径向的传播时间，求取 各个圆形薄板的孔隙度，得到弯曲过程中不同孔隙度圆形薄板的渗透特性；通过多种矿 物成分破碎岩样和混合破碎岩样的渗流特性试验研究， 比较混合后的破碎岩样较单种破 碎岩样的渗流特性的异同，得到混合破碎岩样的渗流规律；通过自我设计的试验方法使 破碎岩样孔隙度连续变化，建立积分式模型求解破碎岩样的渗透特性参数，研究破碎岩 样在此过程中的渗透特性。 1.2 本课题国内外研究的动态及发展趋势 1.2.1 破裂岩样渗流研究现状 存在宏观裂隙是岩样的主要特性， 从 1951 年 Lomize 进行裂隙岩体中流体流动试验 开始，含裂隙岩体的渗流研究至今已有 60 余年的历史[7-13]。其中，Levy 从理论上探讨 了单一方向裂隙中的渗流，白矛利用拓朴学建立了裂隙网络模型，王洪涛研究了主干裂 纹与网络状裂纹并存的情况， Lage 提出单裂隙空间平板模型， 陈胜宏和赵阳升对块体结 构中渗流作了较多研究等。这些试验和理论模型均可称作拟连续介质模型[13]，即岩块孔 隙结构在岩体渗流中占的份量很小，可以忽略，从而把岩体看成单纯的按一定几何规律 分布的裂隙介质，考虑到裂隙的方位、密度、张开度及位置等几何参数，确定裂隙岩体 的渗透参数，并以此来作为基本参数来建立裂隙岩体渗流模型。拟连续介质模型有等效 连续、离散网络和等效离散耦合三种处理方法[14]。 与拟连续介质模型相区别的是双重介质模型，又称双孔模型。该模型不再忽略孔隙 万方数据 1 绪论 3 作用，认为裂隙与孔隙共同组成渗流通道。裂隙岩体中裂隙系统渗透性强，孔隙性差， 而岩块孔隙系统则是孔隙发育，渗透性差，因此双重介质模型的研究方法是分别将裂隙 系统与孔隙系统看作连续体， 先单独研究， 再考虑裂隙系统与岩块孔隙系统的水力交换。 双孔模型的开创性工作当属 Barenblatt 等人[15]以唯象学为基础在 1960 年做出的。 Barenblantt 模型尽管考虑了裂隙与孔隙系统渗流的差异，但它假设二者均为各向同性、 均质，与实际相差较大，特别是裂隙系统更是如此。Warren 与 Root[16]对此提出了改正， 他们将岩体中随机分布裂隙表示成为正交裂隙网络分隔的相同的长方体所拼成的理想 模型。并假设渗透主轴与每一方位裂隙组平行，垂直于各主轴的裂隙组等间距分布，裂 隙宽度不变，但是沿着各主轴的裂隙组的间距与宽度可以不同。也就是说它是一个均质 各向异性的模型。这之后，Streltsova[17]又在 Bareablantt 模型的基础上考虑了裂隙岩体的 弹性效应，并提出了一些修正。由于双孔模型要建立水交替方程，需要更多的参数，参 数确定上也有困难，因而双孔弹性理论的发展和使用受到一定的制约。 考虑应力与渗流的耦合作用历来受到渗流专家们的重视[18-27]。 最早研究流体固体 变形耦合现象的是 Terzaghi，他首先提出了有效应力effective stress概念，并建立了一 维固结模型。 此后， Biot 建立了比较完善的三维固结理论。 这方面近期的工作有 Cieszko 在他的研究中是将流固分开来考虑的，本构方程假设互为独立，由内能建立平衡方程； Khalili 用均一化方法处理了双重孔隙介质中的流动和变形， 其控制微分方程是一组平衡 方程；Costa 在他的非牛顿流体饱和流能量传输的研究中，用了统一场的概念，即将流 体与固体基视为一个混合连续体，每个空间都同时存在两种温度和两种速度；杨延毅、 周维恒建立了裂隙岩体的渗流与损伤耦合分析的模型； 王媛用四自由度耦合法处理了裂 隙岩体渗流与应力耦合问题等。 除具有一般裂隙渗流特性外，岩体渗流还是含有多个控制参量的、以偏微分方程组