考虑溶蚀迁移作用的承压破碎岩体的渗流灾变机理研究

Particle dissolution and migration effect is an important mechanism to induce seepage mutation in broken rock, but the existing research rarely involved. This project mainly uses laboratory tests , theoretical modeling and numerical software development tools to research and reveal the seepage characteristics and disaster mechanism of broken rock considering the dissolution and particle migration effects, main contents are:(1) The characterization of the dissolution and migration of particles effect and its test methods and techniques, and the penetration characteristics evolution law considering the dissolution and migration of particles effect; (2) The seepage system dynamic model of the broken rock considering the dissolution and migration of particles effect will be established, including: mass conservation equation, momentum conservation equation，the relationship equation of the mass loss rate and the seepage parameters, such as sample porosity, small particle volume fraction parameters of the relationship equation, the boundary conditions and initial conditions of the seepage system, etc. (3) The rock seepage mechanics theory is applied to study the stability characteristics of the broken rock seepage system considering the dissolution and migration of particles effect, and obtain the type and criteria of the phylogenetic instability (mutation); (4) The related numerical analysis software is developed and applied to the prevention and treatment of mine water inrush practice in the confined floor mining. The results will provide a new theoretical basis for the study of the mine water inrush mechanism, wich has an important theoretical significance and reference value for the prevention and treatment of mine water.

溶蚀与颗粒迁移效应是诱发破碎岩体渗流突变的重要机制，但现有研究鲜有涉及。本项研究主要采用试验分析、理论建模及数值软件开发等手段，研究揭示考虑溶蚀与颗粒迁移效应的破碎岩体渗流特性及灾变机理，主要内容：（1）溶蚀与颗粒迁移作用效应的表征、测试方法与技术、考虑溶蚀与颗粒迁移情况下渗透特征量演化规律等；（2）考虑溶蚀与颗粒迁移情况下破碎岩体渗流系统动力学模型的建立，包括：质量守恒方程、动量守恒方程、质量流失率与试样孔隙度和细小颗粒体积分数等参量的关系方程、系统的边界条件与初始条件等；（3）应用岩体渗流力学理论，研究考虑溶蚀与颗粒迁移情况下破碎岩体渗流系统的稳定性特征、给出系统发生失稳（突变）的类型及准则；（4）开发相关数值分析软件，并用于煤矿承压底板开采的突水防治实践。本课题的研究成果将为煤矿突水机理的研究提供新的理论依据，对煤矿水害防治具有重要的理论意义和工程参考价值。

在承压开采过程中，陷落柱及其附近岩体的应力场和渗流场发生变化，同时岩体裂隙网络和水渗透通道发生显著变化；另一方面，由于充填物在高压水作用下发生溶蚀，部分细小固体颗粒与水组成的两相流体在岩体裂隙中迁移，劣化岩体孔隙结构和骨架结构。当陷落柱中细小颗粒流失到一定程度时，岩块骨架的裂隙结构失稳，渗流速度急剧增大，发生渗流突变，引发突水。因此，对破碎岩石的内部结构演化和渗透特性进行深入地研究，有利于人们理解破碎岩体的工程行为，对于煤矿水害防治具有重要的理论意义和工程价值。.本项目采取物理实验、理论建模和数值模拟等手段对承压破碎岩体渗流系统的时空演化进行研究，主要探讨溶蚀迁移作用对破碎岩体渗透特性演化规律的影响，分析了破碎岩体渗流过程中的质量流失规律，建立承压破碎岩体渗流系统的突变模型，并探讨了高承压水作用下陷落柱内部颗粒矿物运移及渗流突变的时空演化过程，揭示了采场底板隐伏陷落柱的活化机理取得了以下重要结果：.①溶蚀迁移作用下承压破碎岩石的渗透试验表明，传统的质量守恒条件下岩土材料渗透特性的测试方法（即在试样两端面加盖毛毡或滤布，防止岩土颗粒的流失）被扩大化地应用在存在质量流失条件下的工程中，其不能解释岩土体存在质量流失造成的孔隙度增大和渗透特性增大的工程行为。破碎岩石渗流过程中存在矿物溶蚀和颗粒迁移等质量流失行为，严重劣化岩体的孔隙结构和骨架结构。研制了一套可测量质量流失条件下破碎岩石渗透特性的试验系统，推导出破碎岩石渗透性参量的计算方法。.②溶蚀迁移作用下承压破碎岩石的渗透特性演化规律和质量流失规律表明，流失质量和孔隙度与时间呈指数关系，与渗透压力、初始孔隙度、充填物与骨架质量比呈正相关关系，与岩石骨架Talbot指数呈负相关关系。质量流失严重影响了破碎岩石的渗透特性，当破碎岩石中细小颗粒流失到一定程度时，骨架的裂隙结构失稳，渗流速度急剧增大，发生渗流突变，引发突水，且突水量与破碎岩石中细小颗粒含量密切相关。.③溶蚀迁移作用下承压破碎岩体渗流系统表现出明显的时变性和非线性特征，其渗透特性随着陷落柱内充填物颗粒的迁移流失而不断增大，最终导致了底板陷落柱突水。在一定的条件下，随着工作面不断向陷落柱推进，工作面与陷落柱之间的导水裂隙带不断演化，形成导水通道。底板承压含水层的水沿陷落柱与工作面间的导水裂隙带涌入采空区，发生底板陷落柱突水。