基于破碎岩体水沙两相渗流理论的突水溃沙机理研究

When shallow coal seams with thin bedrocks are high-intensitively mined in western China, the two phase water-sand fluid in the overlying aquifers can flush into mining area through induced rock mass, which can cause water-sand inrush disasters and severely influence the safety of mining. For water-sand inrush disaster caused by mining fractured rock mass in western China’s intensive mined shallow coal seams with thin bedrocks, the change rule between pore pressure and water yield with different factors such as pressure, porosity, grain diameter of crushed rock and sand grain diameter will be firstly tested with a self-developed experimental device. Then a method for analyzing non-Darcy two phase water-sand flow (TPWSF) parameters will be brought forth, and the variations of TPWSF parameters (such as non-Darcy β factor, acceleration coefficient and fluidity) with volumetric fraction will be explored. With these TPWSF parameters, the momentum and mass conservation equations of TPWSF in crushed rock mass can be established, and the parametric nonlinear dynamical model of TPWSF in crushed rock mass can be got further. Then the computing method of TPWSF in crushed rock mass is proposed for studying the change rule of TPWSF seepage field in crushed rock mass. In the end, a instability criterion of the system will be derived. Based on these work, water-sand inrush mechanism can be revealed, which will provide a theoretical basis for predicting and preventing water-sand inrush disasters during intensive mining in western China’s shallow coal seams with thin bedrocks.

我国西部浅埋薄基岩煤层高强度开采时，上覆含水层中的水沙两相流体常会通过采动破碎岩体溃入井下，造成突水溃沙灾害，严重影响矿井安全生产。针对西部浅埋薄基岩煤层高强度开采过程中，由采动破碎岩体引发的突水溃沙灾害问题，利用自行研制的试验装置，研究不同水压、破碎岩体孔隙度、试样粒径以及沙粒粒径条件下的孔隙水压与水量随时间的变化规律；提出水沙两相非Darcy流渗流特性参数的分析方法，探索破碎岩体水沙两相渗流特性参数（非Darcy流β因子、加速度系数、流度）随体积分数的变化规律；建立破碎岩体水沙两相渗流的动量守恒和质量守恒方程，得到破碎岩体水沙两相渗流的参变非线性动力学模型；提出破碎岩体水沙两相渗流场计算方法，研究不同条件下水沙两相流体在破碎岩体的渗流场变化规律，建立渗流系统的失稳判别条件，揭示突水溃沙灾害发生机理。研究成果将为西部浅埋薄基岩煤层高强度开采过程中突水溃沙灾害的预测和防治提供理论依据。

本项目针对采动破碎岩体诱发的突水溃沙灾害问题，开展了破碎岩体水沙两相渗流的基础理论研究工作。主要研究内容包括，利用自行研制的可实现水沙两相渗流的破碎岩体渗透试验系统，开展了不同条件下的破碎岩体水沙两相渗流试验，提出了水沙两相非Darcy流渗流特性参数的分析方法，得到了水沙两相渗流特性参数随体积分数的变化规律，建立了破碎岩体水沙两相渗流的非线性动力学模型；提出了破碎岩体水沙两相渗流动力学响应计算方法，研究了水沙两相渗流特性参数变化规律，揭示了采动破碎岩体引发突水溃沙的机理。依据项目申请书内容，经过系统的研究，总体上达到了预期目标。研究取得了四个方面的代表性成果：(1)自行研制了破碎岩体水沙两相渗流试验系统，开展了相关试验，沙粒流失量总体上表现为随孔隙度的降低而减少的规律，表明低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低。同一孔隙度和沙粒粒径条件下，含水层砾石颗粒越小，发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大，沙粒流失量也越小，越不容易发生突水溃沙灾害。同一孔隙度条件下，细砂更易发生突水溃沙灾害，其所需的启动压力也较小。(2)根据水沙两相流体的幂律型非Newton流体特征，在沙相压力梯度构造时间序列和渗流速度时间序列基础上，有效提取了水沙两相渗流特性参数（非Darcy流β因子、加速度系数ca和流度I），依据试验结果，通过归一化处理，得到了不同条件的水沙两相渗流特性参数。(3)根据水相和沙相的质量守恒和动量守恒定理、破碎岩石孔隙压缩方程，导出了系统的基本方程和部分辅助方程，建立了破碎岩体水沙两相渗流动力学模型，讨论了模型的初始条件和边界条件。(4)利用Fortran语言程序，构造出破碎岩体中水沙两相渗流系统动力学响应的算法，并根据计算结果验证了水沙两相渗流动力学模型的正确性，分析了不同条件下沙粒流失量的变化规律，得到沙粒粒径越小、孔隙度越大条件下更容易发生突水溃沙灾害的结论。项目研究成果将为松散层薄基岩煤层开采中的突水溃沙灾害防治提供基础理论依据。