基于颗粒流的采掘溃砂机制及预测防治研究

近松散层采掘造成的突水溃砂严重威胁着煤矿生产安全。本项目以国家自然科学基金"近松散层采煤水砂突涌机制及开采上限决策模型研究"和后续有关成果为基础，针对溃砂灾害防治中尚未解决的的科学问题，诸如溃砂定量预测与计算、溃砂对采动岩体裂隙、岩体破碎带的作用机制等，引入颗粒流理论、采用室内模拟技术和透明土实验技术，研究采掘溃砂过程机制、水砂混合物在岩体裂隙和破碎带中的运移规律和相互作用，划分突水溃砂流态类型，建立溃砂量计算方法，通过对采掘溃砂发生的地质采矿条件统计分析并结合室内试验结果，建立采掘溃砂模型和熵权安全评判模型，对近松散层采掘溃砂发生的可能性进行分级预测，并评判不同工程措施的防治效果，作为选择溃砂防治措施的依据，为松散含水层下安全开采提供技术支撑。

本项目致力于解决以下关键科学问题：.（1）采掘溃砂通过溃砂口、裂隙和破碎带时，颗粒流的流态特征、溃砂量估算； （2）水砂混合物与岩体裂缝通道相互作用机制、水砂混合流穿越破碎带岩体作用机制、溃砂与阻塞的条件与机理；（3）采掘溃砂灾害预测与评价模型的建立与应用。.经过三年的研究，通过调研、试验、理论分析、结合典型工程实例，概化了采掘溃砂的覆岩（土）组合结构模式，研究了采掘溃砂的过程机制、水砂混合物在岩体裂缝和破碎岩体中的运移规律和相互作用。取得的主要成果有：.（1）获得了溃砂通过溃砂口、裂隙和破碎带岩体时的流动状态变化，引入透明土试验技术实现了溃砂实验的可视化，并通过图像相关法进行数字图像分析，获得了溃砂发生过程中速度场的分布及随时间的变化情况，确定了溃砂内部的流态变化。建立了溃砂量的估算公式。.（2）采用正交试验方法，研究了各种因素对溃砂的影响，发现含水量的大小、裂隙宽度与粒径之比以及裂隙的形态是控制裂隙溃砂量的主要因素。.（3）试验发现，颗粒物质在裂隙通道中运移开启方式主要有3种类型：局部空间扩展，局部空间移动，以及直接溃砂。上覆松散层厚度对裂隙中溃砂速度基本没有影响，颗粒粒径越大，溃砂速度越慢；当裂隙宽度与粒径之比小于1.5时，容易造成阻塞。溃砂过程中，水砂流会对裂隙壁产生周期性的碰撞，较大粒径的砂流对裂隙壁的破坏作用较大，且水砂流比干砂流对裂隙壁的破坏要大。.（4）试验发现，垮落带岩体对于溃砂具有阻滞作用，滞留在垮落带中的砂颗粒大小与垮落带形成的通道有关；干砂在垂直穿越破碎带岩体构成的通道时，溃砂速度与垮落带厚度和松散层厚度关系不大。在一定条件下，破碎带岩体的通道被滞留的砂颗粒堵塞后，溃砂停止，只发生渗透；另外，当水头较高时，会发生水砂突然溃决，造成突水溃砂灾害。.（5）建立了突水溃砂风险评价的预测方法和模型，包括可拓性方法模型和基于GIS的多元评价预测模型，该模型已经用于多个矿区的近松散层防溃砂安全措施选择的辅助决策。