破碎岩体渗流试验研究及其传质分析.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 seepage mass transfer model was established with the consideration of the conversion of fine particles and skeletons. By application of the theory of seepage mechanics, combirith Forchheimers empirical ula, the one-dimensional active unsteady-stab page mass transfer kinetics equations are derived concerning the transit between the fine migrating particles and the skeleton. 4 A numerical was used to solve the seepage mass transfer model with variable porosity concerning the conversion of fine particles and skeletons. The time-dependent curves of porosity, permeability, non-Darcy factor, and percolation velocity at different values of the conversion factor are given, and it can provide theoretical basis for preventing water inrush or coal and gas outburst. With the comparison of previous research results, it is believed that the one-dimensional active unsteady flow mass transfer kinetics equation set up in the paper can be used to describe the seepage behavior of broken rock mass. Key wordsbroken rock mass; variable porosity; permeability characteristics; cyclic loading; seepage instability; sepage mass transfer Thesis Application Study 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................ 2 1.2 国内外研究动态及发展趋势 ...................................................................................... 3 1.2.1 破碎岩体渗流试验及其稳定性研究现状 ........................................................ 3 1.2.2 循环载荷作用下岩石力学及渗透特性的研究 ................................................ 5 1.2.3 破碎岩体渗流传质研究 .................................................................................... 6 1.3 研究内容、方法及技术路线 ...................................................................................... 7 1.3.1 研究内容 ............................................................................................................ 7 1.3.2 研究方法 ............................................................................................................ 7 1.3.3 技术路线 ............................................................................................................ 8 2 破碎泥岩三轴渗流试验及其稳定性分析 .......................................................................... 10 2.1 试验系统及方法 ........................................................................................................ 10 2.1.1 岩样配比及实验设备 ...................................................................................... 10 2.1.2 试验原理 .......................................................................................................... 10 2.2 试验数据处理与结果分析 ........................................................................................ 13 2.3 本章小结 .................................................................................................................... 20 3 循环加卸载条件下破碎煤岩渗透特性试验研究 ............................................................... 21 3.1 试验材料与设备 ......................................................................................................... 21 3.1.1 试验材料 ........................................................................................................... 21 3.1.2 试验设备 ........................................................................................................... 21 3.2 试验原理及过程 ......................................................................................................... 22 3.3 试验结果分析 ............................................................................................................ 24 3.3.1 不同压力下循环次数与孔隙度间的关系 ....................................................... 24 3.3.2 不同压力下循环次数与渗透率间的关系 ....................................................... 30 3.3.3 不同压力下循环次数对煤样非 Darcy 特性的影响 ....................................... 33 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 36 4 考虑颗粒与骨架转换时的变孔隙度渗流传质模型 .......................................................... 37 4.1 破碎岩体团渗流传质模型 ........................................................................................ 37 4.1.1 破碎岩体中迁移颗粒的质量 .......................................................................... 39 4.1.2 破碎岩体孔隙度的计算 .................................................................................. 39 万方数据 目录 II 4.2 一维非 Darcy 渗流动力学方程组 ............................................................................ 40 4.2.1 非 Darcy 渗流连续性方程 .............................................................................. 40 4.2.2 运动方程 .......................................................................................................... 41 4.3 辅助方程 .................................................................................................................... 41 4.4 动力学模型 ................................................................................................................ 41 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 42 5 考虑颗粒与骨架转换时的变孔隙度渗流模型的数值解 ................................................... 43 5.1 考虑颗粒与骨架转换时的变孔隙度渗流模型 ......................................................... 43 5.1.1 数值模型计算参 .............................................................................................. 44 5.1.2 定解条件 .......................................................................................................... 44 5.2 数值计算结果分析 ..................................................................................................... 44 5.2.1 孔隙度的历时曲线及其变化规律 .................................................................. 45 5.2.2 渗透率的历时曲线及其变化规律 ................................................................... 46 5.2.3 非 Darcy 因子的历时曲线及其变化规律 ....................................................... 47 5.2.4 渗流速度的历时曲线及其变化规律 .............................................................. 48 5.2.5 渗流过程中颗粒传输、转换的历时曲线 ...................................................... 48 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 50 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 51 6.1 结论 ............................................................................................................................ 51 6.2 展望 ............................................................................................................................ 51 致谢 .......................................................................................................................................... 53 参考文献 .................................................................................................................................. 54 附录 .......................................................................................................................................... 58 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 灾害在不同的学科领域有不同的界说， 普遍认为灾害是能够对人类或人类赖以生存 的环境造成毁灭性影响的事物的总称[1]。而我国是一个灾害多发国，近 40 年来，每年由 于地震、 地质、 洪涝等造成的直接经济损失达一千亿元以上， 约占国民生产总值的 3～ 6。而据国家煤矿安全监察局和中国统计年鉴（2017）统计数据显示，我国近 10 年来， 每年仅由于瓦斯突出、煤矿突水、滑坡、沉降四类灾害，造成的直接经济损失达 96 亿 元以上。其中矿山灾害造成的经济损失达 58 亿元。然而，煤炭依然是我国的主要能源， 近 10 年来，我国煤炭需求量虽有所减少，但在能源消耗总量中占比仍然超过 60。图 1.1 给出了 2007 年至 2017 年煤炭在我国能源消耗总量中的比重。 0 20 40 60 80 100 其他 煤炭 图 1.1 2007-2017 年我国煤炭占能源消耗总量的比重 我国幅员辽阔，山区占比较大（约占国土总面积的三分之二） ，其中不仅有我国公 民居住区，还有各类重大工程，尤其是三峡库区、西部山区的滑坡灾害更加严重，且危 害极大。表 1.1 给出了我国 2007 年至 2017 年突水、瓦斯突出、滑坡及地面沉降的发生 次数、死亡人数。煤矿突水事故常发生在含水破碎带，例如 2003 年 4 月邢台矿区东庞 矿发生突水事故，其中涌水量高达 1167m3/min。2010 年 3 月，神华集团乌海能源有限 公司骆驼山矿煤层底板破碎带发生重大突水事故，导致 32 人死亡、7 人受伤，直接经济 损失 4853 万元。2015 年 12 月 20 日，位于深圳市光明新区的红坳渣土受纳场发生滑坡 事故，造成 73 人死亡、4 人下落不明、17 人受伤，直接经济损失 8.81 亿元。2016 年 3 月 6 日，吉林省白山市松树煤矿发生一起煤与瓦斯突出事故，12 人遇难，造成巨大经济 损失。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 表表 1.1 我国我国 2007-2017 年四类与渗流相关的重大灾害统计年四类与渗流相关的重大灾害统计 类型 瓦斯突出 突水 滑坡 沉降 事故起数/次 241 261 57 9 死亡人数/人 1755 1857 306 103 伴随着十三五规划的开展，我国发展速度日益加快，许多关乎民生的重大项目与重 大工程一项项铺展开来。其中就包含煤矿安全、清洁、高效开采，高速公路、高速铁路 的铺设与维护，环境污染治理，水土保持等许多涉及国计民生的重大项目。在这些项目 中，或多或少都离不开多孔介质中的渗流。渗流作用于多孔介质，容易诱发矿井突水、 煤与瓦斯突出、地表沉降等灾害性问题及地下水污染、水土流失等环保问题。解决多孔 介质渗流机理成为解决上述问题的关键。 1.1.2 研究意义 灾害带给人类极大地负面影响，不仅威胁安全高效的生产生活，更威胁到人类的身 心健康及生命财产安全。因此，必须解决上述问题，尽可能的减少灾害对我国社会和人 民造成的伤害。然而上述这些重大灾害都或多或少的与多孔介质中的渗流相关，而这些 多孔介质以承压破碎岩体为主。 瓦斯突出是由于煤层瓦斯气体在煤层、底板破碎带等处的解析、渗透、运移造成的 煤与瓦斯由工作面大量喷出的现象； 突水是由于地下水在围岩压力作用下突破底板含水 破碎带大量涌出或地表水受地质活动、气候变化、采动影响，大量下渗，瞬间突破煤层 顶板大量涌出的现象；而滑坡特别是降水引起的滑坡和地表沉降，则是由于地质活动或 原始地质构造所形成的滑坡体在后续的地质活动、人类开发建设、河流湖泊冲刷、地表 降水不断下渗引起原岩裂隙扩张或堆积破碎岩体结构失稳所形成的地质灾害。但，由多 孔介质中的渗流所诱发的灾害不只是上述几类，例如堤坝失稳破坏、水土流失等。这 些灾害的发生或多或少都与多孔介质中的渗流有莫大的关系。 多孔介质中的渗流以破碎岩体处的渗流量为最，一旦破碎岩体构成的渗透系统失 稳，势必诱发与之相关的各类灾害。因此破碎岩体处渗透系统稳定性的研究是煤矿围岩 稳定性控制、堆石体稳定性分析、边坡失稳机理[2]、煤矿突水、保水开采、堤坝失稳[3] 等各类重大项目的基础性研究课题。 渗流过程中细小颗粒的迁移对多孔介质孔隙度及渗 透特性的影响有至关重要的作用，因此，开展破碎岩体渗流试验和及其传质分析方面的 研究是必要的，这对于改善安全生产条件、促进我国社会可持续发展都有一定的意义。 万方数据 1 绪论 3 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 破碎岩体渗流试验及其稳定性研究现状 渗流力学诞生于 1856 年。法国工程师 H. Darcy 在解决 Dijon 的城市给水问题时[4]， 通过大量实验，总结出线性渗流方程，即 Darcy 定律，见式1.1。渗流是指流体在多孔 介质中的流动。而由骨架、孔隙、裂隙或缝隙构成的组合体称为多孔介质[5]。 VKJ 1.1 式中，V 为渗流速度，m/s；K 为渗透系数；J 为渗流水力坡降。 破碎岩体是多孔介质的一种，它由固体骨架、填充颗粒、孔隙、裂隙等组成。其具 有介于固体和流体之间的特性，具有一定的流动性，受力后极易变形，且内部充填颗粒 随时可能随渗透液迁移或再次固结在骨架上[6-9]。 渗流大致分为地下渗流、工程渗流、生物渗流三类[10]，而本课题研究的破碎岩体中 的渗流属第一类。但是，自 Darcy 定律之后，国内外众多学者针对破碎岩体中的渗流开 展了大量试验研究证实，用线性渗流方程描述这一问题是不准确的，应该以修正后的 Darcy 定律进行描述[11-16]。表达式常见的有三类，而大多关于这类问题的理论和试验研 究，都是基于 Forchheimer（1901）方程进行描述的[17-20]。 Forchheimer（1901）方程 2 p vv xk      1.2 其中， p x   为水压梯度，v 为渗流速度，为流体的动力粘度，为流体的质量密度，k 为岩石的渗透率，为非 Darcy 流因子。 相比于完整岩体，破碎岩体的渗透率要大一至数个量级，所以，这类动力灾害在破 碎岩体处更易发生。这些破碎岩体大致可分为两类原位破碎岩体和堆积破碎岩体[21]。 受地质活动或采动影响，当外界压力达到某种状况时，通过对破碎带岩体团的作用，可 以改变渗透系统的结构特性[22]。国内外学者结合上述方程做了大量试验研究和理论分 析，并开发了相当一部分实验仪器。陈占清、缪协兴等[23-26]通过破碎岩石渗透试验附加 装置与 MTS815.02 型岩石力学试验系统结合轴向位移控制法，研究了破碎岩体在单轴 应力状态下孔压梯度和渗流速度之间的关系， 得到了渗透特性参数与孔隙度的变化规律 及孔隙度随时间的变化规律， 并分析了不同级配泥岩粒度分布分形维数与不同轴向位移 的关系曲线， 认为在加载初期岩石颗粒以移位为主， 加载后期以颗粒破碎为主； 张天军、 任金虎等[27-30]发明了一种全新的三维应力下的破碎岩体渗透试验装置， 并利用该实验装 置，分别研究了不同轴向位移对不同粒径配比的破碎泥岩、破碎砂岩、破碎矸石的渗透 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 特性的影响，认为颗粒粒径越小，非 Darcy 流 β 因子的变化趋势越明显。同时，张天军、 尚宏波[31,32]等结合此装置再次研究了破碎砂岩不同粒径配比的单轴应力状态下孔隙度 与渗透特性参数的关系， 认为不同 Talbol 幂指数的破碎砂岩的渗透特性参数随孔隙度的 变化规律存在明显差异； 李顺才等[33-36]通过对破碎岩体渗流系统的动力学方程组进行分 析，认为破碎岩体中的渗流存在分岔、突变及混沌等非线性动力学特性，对于破碎岩体 渗透特性的研究应结合非线性动力学及随机方法进行研究。马占国、缪协兴等[37-39]通过 对破碎页岩、饱和破碎泥岩等在单轴应力下渗透特性的试验研究，发现在轴压一定的情 况下， 渗流速度对水头梯度的影响呈现小粒径大、 大粒径小的规律。 姚邦华、 王璐珍[40-43] 通过自主研制的变质量破碎岩石渗透试验系统，分别对陷落柱、破碎泥岩在单轴应力状 态下考虑质量流失时的渗透特性做了研究， 认为充填颗粒物的迁移对破碎岩体渗透特性 有很大的影响，并分析了考虑质量流失时渗透特性参数的变化规律。 对于破碎岩体渗流稳定性的研究，孔祥言在著作高等渗流力学中给出了详细的 介绍，结合本课题，文献[44]给出了一维非 Darcy 等温渗流的动力学方程组，包含连续性 方程、运动方程和状态方程，分列如下 对于破碎煤岩体一维非 Darcy 渗流，连续性方程为 0       x v t  1.3 其中，为流体的质量密度，为孔隙度，v为渗流速度。 运动方程为 g 2         bvv kx p t v ca 1.4 其中， a c称为加速度系数，b为 Darcy 流偏离因子，p为孔隙流体压力，为流体的动 力粘度，k为破碎煤岩体的渗透率。 状态方程为 ]1 [ 00 ppcf 1.5 ]1 [ 00 ppc   1.6 其中， 00, 为参考压力 0 p对应的孔隙度和质量密度， f c为流体的等温压缩系数；  c为 孔隙压缩系数。 得到破碎岩体一维非 Darcy 等温渗流动力学模型 0 2 1234 pv a tx vp aa va va tx              1.7 万方数据 1 绪论 5 但是在工程实际中， 破碎岩体不但处于三轴应力状态， 而且其渗流也属于三维渗流。 故对于破碎岩体在可控三轴应力下渗透特性和三维状态下的动力学方程组的试验和理 论研究，都有待进一步探讨。 1.2.2 循环载荷作用下岩石力学及渗透特性的研究 然后，在实际工况中，岩体由于受到各类受周期性载荷的影响，其力学特性和渗透 特性也随周期性载荷的作用而呈现规律性的变化。目前，国内外学者分别对破碎岩石的 渗透特性和原岩在循环载荷作用下的力学及渗透特进行了研究。 破碎岩石渗流具有明显 的非线性特征，非 Darcy 流因子可以直观的反映这一特征[45,46]。在破碎岩体渗流中，孔 隙度的实时变化，直接影响破碎岩体的渗透特性，这一变化又可以通过渗透率体现。破 碎岩样初始孔隙度、 孔隙水压力和渗流过程中的质量流失对破碎岩体渗流稳定性具有很 大影响，孔隙度越大，孔隙水压力越大则质量流失越快，进而使得孔隙度变得更大，引 起渗流失稳，诱发突水等矿山灾害。 循环载荷的作用会使原岩的结构发生变化。 葛修润等[47]认为岩石在循环载荷作用下 存在疲劳门槛值，当循环幅值小于此值时，岩石裂纹扩张有上限，即随着循环的进行各 向变形会趋于稳定，而当循环幅值大于此值时，裂纹则随着循环的进行不断扩张。王者 超， 赵建刚等[48]通过对花岗岩做循环加卸载试验得到此门槛值应为剪缩和剪涨区域分界 点对应的峰值偏应力， 而循环载荷作用下岩石表现出比单调加载更强的抵抗体积变形的 能力。基于此，孙茜、王环玲、孙光忠、许江等人[49-52]分别对砂岩原岩、含瓦斯煤原煤 和标准圆柱型煤在不同条件下分别进行围压、轴压的循环加卸载渗流试验。认为，轴压 循环加卸载条件下温度对渗透率有很大影响，渗透率在加载过程中减小，卸载过程中有 所恢复，并给出了渗透率损耗因子。围压循环加卸载条件下，孔隙度和渗透率随围压均 呈幂函数关系，渗透率、孔隙度的恢复程度随循环次数的增加而不断减小。蔡波[53]通过 对突出煤层的原煤进行三轴循环加卸载试验， 分析了其力学特性和循环载荷对渗透特性 的影响。认为在循环载荷下，煤样的应力应变曲线将形成与加卸载次数密切相关的滞回 环。肖福坤、李西蒙[54,55]分别对不同岩石进行了单轴应力下的循环加卸载试验，探究循 环加卸载对其应变的影响，认为每次循环所生成的新的裂纹对其应变都有较大影响，且 在计算其滞回环面积时应考虑新裂纹生成所需的耗散能的影响， 建立并验证了循环载荷 作用下，轴向应变与加卸载次数变化关系的模型。 但是，很少有学者研究破碎岩体团在循环载荷下的力学特性，或者其内部孔隙空间 的变化规律，但是破碎岩体在工程实际中往往会承受循环载荷，而循环载荷势必导致其 应力、应变及内部孔隙通道或者说孔隙度发生变化。而多孔介质的渗透特性主要是由孔 隙度决定的，而孔隙度不仅取决于当前应力，更与其加载历史有关[56]。对于破碎岩石在 循环载荷条件下渗透特性的研究更是很难找到相关学术研究，众所周知，破碎岩体的渗 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 透率与致密原岩的渗透率间是数量级的倍数关系。 因此，探讨循环载荷下破碎岩体渗透是必要的，也是必须要解决的。这其中最主要 是要考察渗透特性参数瞬态变化对循环载荷作用下破碎岩体渗透特性的影响。 1.2.3 破碎岩体渗流传质研究 随着人们对渗流力学不断深入的研究，发现多孔介质中颗粒迁移，对其渗透特性有 至关重要的作用[57]。多孔介质中溶质（细小颗粒）迁移的研究，早在 1953 年时，Taylor 就提出采用毛细管模型来解决这一问题，但该模型仅仅能解决相当局限的一部分问题。 在忽略热扩散和压力扩散对溶质组分质量弥散影响的情况下，可以利用 Bear 在 1972 年 提出的低浓度的 Fick 定律来近似解决溶质输运问题[58-60]。然而，这样的经典迁移-沉积 模型和过滤理论虽然形式简单、便于分析、能够基本解决多孔介质中颗粒的迁移-沉积 问题，但仍具有相当的缺点1.其未考虑物理、化学等因素对孔隙分布、颗粒大小等的 影响，仅从宏观角度分析论证；2.在不利于吸附的条件下，沉积颗粒浓度最大值的传输 速度小于渗流速度，认为沉积颗粒浓度沿渗流速度方向呈超指数分布；3.经典迁移-沉积 理论未考虑溶质迁移堆积生长、 脱离等效应与由此引起的多孔介质孔隙度的变化间的相 互作用[61]。刘泉声、崔光泽等[62,63]面向地下热源回灌堵塞过程，利用自主研制的砂层沉 积-脱离模拟实验系统结合理论分析，探讨了渗流速度、渗流方向对多孔介质颗粒二次 脱离的影响，研究了多孔介质中由颗粒沉积引起的孔隙度衰减模型，认为渗流方向对沉 积颗粒二次脱离的影响大于渗流速度对其的影响，利用 Kozeny-Carman 方程建立了孔 隙度、渗透率模型，通过对流弥散方程确定颗粒迁移、沉积规律，结合试验对该模型进 行了验证。张鹏远等[64]通过对天然硅粉和荧光钠在饱和多孔介质中渗透特性的试验研 究，认为渗流速与水动力学作用对颗粒出流浓度的影响呈正相关，同时存在一个渗流速 度阈值，在阈值之上时颗粒迁移速度大于示踪剂流出速度，阈值之下，小于示踪剂流出 速度。但是这些研究，基本都未考虑迁移颗粒沉积后再释放对渗透特性的影响。白冰、 宋晓明、 陈星欣等[65-67]则从多孔介质中悬浮颗粒的浓度和温度的变化来探讨其对多孔介 质中细小颗粒迁移、沉积的影响，认为在确定渗流速度下，悬浮颗粒对穿透曲线中颗粒 浓度的影响存在一个中间值，此值之下二者正相关，此值之上二者负相关。 渗流过程中各个参数的实时变化直接影响着渗流系统的稳定性， 伴随着渗流的不断 进行，系统内的质量传输，对各类渗流参数的变化起至关重要的影响。而原始粒径分布 则关系着渗透初期的结构稳定性和质量传输的整个过程， 因此对这方面的研究将是未来 发展的重点。 万方数据 1 绪论 7 1.3 研究内容、方法及技术路线 1.3.1 研究内容 多孔介质渗流失稳可以诱发多种灾害事故，而其中矿井突水、滑坡、地表沉降危害 最大且最普遍。破碎岩体是天然多孔介质的一种，其中所发生的渗流已被证实不符合 Darcy 定律。而渗流的稳定性与渗透参数和破碎岩体团渗流过程中的颗粒迁移有极大的 关联，给出其准确地动力学方程组是对其稳定性进行探究的重要手段。本文将着重考虑 矿井内，三维应力和周期性载荷对破碎岩体渗透特性的影响，及渗流过程中细小颗粒迁 移所引起的孔隙度和渗透特性参数的变化。 故开展破碎泥岩三轴渗流试验及其稳定性分 析和循环加卸载条件下破碎煤岩渗透特性试验研究。并结合试验，给出考虑颗粒与骨架 相互转换时破碎岩体渗透特性的时变模型及其数值计算。 故此，基于前人的研究成果，本课题拟从以下几方面开展研究工作 （1）破碎岩样三轴渗流试验研究。通过自主开发的三轴渗流试验装置，对级配破碎 泥岩，进行三轴渗流试验研究，并探讨渗透特性参数与渗流失稳的关系，确定矿井突水 的主要条件，确定渗流失稳与破碎岩体团变形机制间的关系。 （2）探究破碎煤岩体在循环载荷作用下的渗流机理。结合 Forchheimer 经验公式对 破碎煤岩进行循环载荷作用下的渗透特性试验，探讨不同载荷下循环次数对孔隙度、渗 透率、非 Darcy 因子的影响。 （3）结合前人研究内容，给出定压边界条件下，外界稳定供给细小颗粒悬浊液时， 破碎岩体内部颗粒的迁移及其与固体骨架间的转换对破碎煤岩体渗透特性的影响。 并利 用数值计算软件对上述方程进行求解。 1.3.2 研究方法 试验方面，本课题主要采用自主研制的破碎岩体三轴渗流试验装置，进行试验，并 结合理论分析、数值模拟、数值计算进行研究。理论分析与模拟方面，结合前人研究成 果及试验所得， 通过理论推导与数值模拟给出考虑颗粒迁移与转换时破碎岩体地渗透特 性。具体方案如下 （1）对破碎岩样进行三轴渗流试验研究，取质量比为 1111 的级配破碎泥岩为研 究对象，采用稳态渗透法和轴向位移控制法进行试验。收集确定时间（10s）内的渗流 质量，通过理论分析，计算相应的渗透率、孔隙度、非 Darcy 流 β 因子等渗透参数。结 合渗流理论，分析渗流失稳时渗透参数的变化及确定渗流失稳的主