水沙混合物裂隙渗流特性分析

刘 玉1,2,韩 雨3,张 强2,李 猛2,王志飞3

(1.江苏师范大学 机电工程学院,江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采重点实验室,江苏 徐州 221116; 3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116)

:水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由I型向IV型转化。滞后性指标用最大滞后量Gp和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。

关键词:裂隙;水沙混合物;煤层突水;滞后性;渗流场;保水采煤

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刘玉,韩雨,张强,等.水沙混合物裂隙渗流特性分析[J].煤炭学报,2019,44(3):874-880.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6023

LIU Yu,HAN Yu,ZHANG Qiang,et al.Analysis of water and sand seepage characteristics in fracture[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):874-880.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6023

中图分类号:TD74;TD82

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2019)03-0874-07

收稿日期:20180702

修回日期:20181220

责任编辑:郭晓炜

基金项目:国家自然基金资助项目(51504238);博士后创新人才支持计划资助项目(BX201800361);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目(SKLCRSM18KF009)

作者简介:刘 玉(1976—),男,江苏徐州人,副教授。Tel:0516-83500260,E-mail:pcl76277@163.com

Analysis of water and sand seepage characteristics in fracture

LIU Yu1,2,HAN Yu3,ZHANG Qiang2,LI Meng2,WANG Zhifei3

(1.School of Mechatronic Engineering,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

Abstract:The permeability characteristics of water-sand in cracks or broken rocks are complex.The study on the seepage characteristics of water-sand cracks is of great significance to reveal the mechanism of water inrush and sand rupture.Using a self-made instrument for water-sand fissure seepage test,the water-sand seepage test was carried out by changing sand particle size,concentration and other factors,and the hysteresis characteristics of water-sand flow in the fissure were obtained.Also,the hysteresis curve of velocity-pressure gradient of water and sand seepage in fractured rock was obtained from the test.A closed hysteresis curve of the seepage pressure gradient and the seepage velocity is formed in one cycle.With the increase of sand particle size and concentration,the curve changes from type I to type IV.The hysteresis parameters are described by the maximum hysteresis Gp and the hysteresis area S,both of which show an increasing trend with the increase of sand particle size and concentration,but the increase is not synchronous.Furthermore,the numerical simulation of water-sand fracture seepage field was carried out by using ANSYS Fluent software,and the variation rules of seepage field under the influence of different factors were obtained.Numerical simulation results show that the physical quantity of rough fracture flow field fluctuates with time.The flow of water and sand in rough cracks is restricted by the wall surface,which shows the randomness of the physical distribution of flow field.The simulation results show that the seepage field of water and sand is unstable,and the pressure loss of seepage field is inversely related to the particle size of sand.The average velocity and turbulent kinetic energy distribution of water-sand fluid on the fracture cross-section are greatly affected by the particle size and the concentration of the volume of sand.This study can provide a reference for further study of water inrush from shallow coal seam.

Key words:fracture;water and sand mixture;water inrush from coal seam;hysteresis;seepage field;water-preserved coal mining

我国煤炭资源主要集中在陕甘蒙等西部地区,其地质条件具有厚风积沙、基岩薄的特点,加之煤层埋深较浅极易发生突水溃沙事故。针对溃沙机理研究,国内外学者进行了大量工作,取得了一些成果[1-3]。李东等[4]研究了含水层沉积特征,初步查明了典型顶板水害机理,并提出疏放水和注浆改造的突水溃沙防治措施。浦海等[5]通过格子 Boltzmann 方法分析裂隙水沙两相流,分析了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响,借助单裂隙的研究成果,分析溃沙的演化过程。杜锋等[6]对突水溃沙进行归类,并通过自制的试验仪器获得了孔隙度对含水层溃沙的影响,以及沙粒径对溃沙的影响。隋旺华等[7]通过试验获得土的黏性与水利坡度的关系,以及土颗粒与成分对水沙突变的影响,并得到初始水头及突水口是控制溃沙的关键因素。梁艳坤等[8]利用分形理论及离散元方法建立了垮落带破碎岩体溃沙数值模型,通过分析得知较大连通空隙形成了溃沙通道,溃沙在通道中流速分布呈纺锤形分布。范立民等[9]在GIS平台下构建影响突水溃沙的关键因素模型的评价模型,并在具体矿区进行验证,但此模型不具有通用性。杨鑫等[10]利用自制仪器进行沙粒启动试验和溃沙试验,得到了溃沙临界速度;溃沙速率与初始水力梯度呈指数关系,溃沙量与水力梯度呈线性关系。许延春等[11]建立了楔形保水压采动溃沙地质模型并通过试验进行验证,提出了煤柱留设方法以实现含水层下防沙。针对西部煤矿防止突水。孙强[12]等建立了风积沙、粉煤灰及硅酸盐水泥不同配比的二维物理模型,研究采动裂隙发育规律,并分析隔水层的稳定性。张凯等[13]通过试验获得渗流速度和沙颗粒大小呈线性分布,并得到孔隙大、渗流速度快、颗粒粒径分布大时易发生沙涌事故。刘玉和李顺才[14]从裂隙渗流的角度研究突水溃沙机理,获得了水沙在不同粒径下的渗流特性。张贵民等[15]研究不良钻孔产生突水溃沙的机理,提出关键影响因素是含水层厚度和钻孔直径,并提出预防突水的措施。张俊霞等[16]针对富含水沙的第四纪岩层进行研究,通过冻结孔内打井注浆等方式进行井筒施工,成功进行了突水溃沙控制。张金才和彭苏平[17]在现场实测的基础上,对浅埋煤层的采动煤层破坏进行研究,提出了防止溃沙煤柱的优化设计方法,以获得最大的开采效率及环境保护。范钢伟等[18]利用采前脱水和灌浆等方式,通过在沟渠周围打井的13口地面抽水井和33口地下垫层降低了地下水位。位于沟底的含水层在含水层降水方面普遍优于河岸的含水层。通过25个表面孔向埋地沟底注入化学灌浆以防止突水。张改玲[19]研究了化学注浆前后的粗沙试验的导水性试验,结果表明化学灌浆明显降低了沙土的渗透性,化学灌浆沙的导电性一般随围压的增大而降低。

笔者在前人研究的基础上,针对西部浅埋煤层垮落带突水溃沙问题,以裂隙水沙渗透特性为研究对象,采用室内试验的方法获得水沙裂隙渗流的滞后性变化特性,进一步利用数值模拟的方法研究水沙渗流场的影响因素,对掌握突水溃沙机理具有重要意义。

1 水沙裂隙渗流方案

1.1 测试原理及系统

图1是裂隙试验系统的试验系统图,该系统由渗流仪、搅拌系统、泵送系统和采集系统构成。

图1 裂隙注水系统示意
Fig.1 Injection water system of hydraulic extrusion measure

采用试验裂隙为平行粗糙裂隙,粗糙度经测定为JRC 2~4,如图2所示,长度 125 mm,宽度75 mm,面积为9 375 mm2

图2 试样及裂隙面视图
Fig.2 Specimens and fracture surface view

1.2 测试理论及步骤图

为分析裂隙沙粒径、沙质量浓度对裂隙水沙混合物渗透特性的影响规律,制定如下试验方案,方案流程如图3所示。

图3 裂隙渗透试验流程
Fig.3 Test flow chart of seepage in fractured rock

具体试验步骤如下:

(1)试验系统调试:装配系统并调试,观察有无漏水现象。启动电脑及记录仪,检测数据采集情况,保证试验系统正常采集。

(2)装料:把粗糙裂隙岩样装入渗流仪,保证岩样上下对齐;加入沙粒径0.092~0.138 mm,使得水沙混合物质量分数为 20%,开动搅拌系统使之均匀混合。

(3)渗透试验:设定裂隙开度,改变电机转速,使得稳定渗透压力差在0~1.2 MPa,记录下稳态时压力差和渗流速度。重复上述试验;水沙混合物的体积质量40,60,80 kg/m3,重复上述试验;改变沙粒径0.138~0.184,0.184~0.230,0.230~0.276 mm,重复上述试验。

(4)卸载:卸料关闭螺杆输送泵,关闭阀门,一次卸下渗透仪等工具。

2 试验结果及讨论

2.1 滞环曲线的种类及转化

试验所用沙子取于河北省灵寿县,有4种粒径:0.092~0.138,0.138~0.184,0.184~0.230,0.230~0.276 mm。试验时裂隙开度设定为0.5 mm,裂隙开度与平均粒径比为2.7∶1。在沙体积质量20,40,60,80 kg/m3分别进行渗透试验。依据上述的测试原理和方法,按步骤进行渗流试验,试验发现在压力梯度上升和下降2个阶段,压力梯度与渗流速度不成一一对应关系,随着压力梯度的增加和减少,压力梯度与渗流速度在平面坐标中形成一条封闭的曲线。在压力梯度增加和下降的过程,获得4种滞环曲线,如图4中的I~IV四种类型,其中,Gp为最大滞后量,v为渗流速度。图4中完整滞回曲线分为升程段OAB和回程段BAO两段;I型曲线升程曲线和回程曲线相交,II型曲线与磁滞回曲线类似,III型曲线升程曲线和回程曲线部分重合,IV型曲线升程曲线和回程曲线全程没有重合点。

随沙粒径和浓度增大,这种由压力梯度-渗流速度构成的滞回曲线逐渐由I型向IV型转变,见表1。

由表1可以看出,当裂隙开度b=0.5 mm时,随沙粒径和密度增大,Ⅰ型、II型、IV型、IV型滞环曲线可以由前者向后面的类型转化。原因在于,裂隙中水沙流的运动形态有多种,单相流(沙与水之间没有相对速度)、两相流(沙与水之间存在相对速度)、段塞流(沙与水之间存在一个或多个分界面)等。随沙粒径及浓度等发生变化,运动形态发生变化,导致滞环曲线发生改变。

2.2 沙粒径对滞后性参量的影响

为分析沙粒径对Ⅳ型滞环曲线滞后性参量的影响,将4组试样结果中的渗流速度-压力梯度滞环曲线最大滞后量Gp和滞环面积S汇总于表2。

由表2可知,在裂隙开度b=0.5 mm、沙体积质量ρs=80 kg/m3时,随着沙粒径ds的增大,Ⅳ型水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线的最大滞后量Gp有逐渐增大的趋势,并且当沙粒径ds处于0.115~0.161 mm和0.207~0.253 mm时,滞环曲线的最大滞后量Gp增加的比较缓慢;当水沙混合物中沙粒径ds处于0.161~0.207 mm时,滞环曲线的最大滞后量Gp增加的比较快,近似于线性增长。

图4 4种类型滞回曲线
Fig.4 Four types of hysteretic curves

表1 滞环曲线的典型形状及条件(b=0.5 mm)
Table 1 Typical shapes and conditions of hysteresis curve at b=0.5 mm

类别粒径/mmρs/(kg·m-3)204060800.092~0.138ⅠⅡⅢⅣ滞环曲线类别0.138~0.184ⅠⅢⅢⅣ0.184~0.230ⅡⅣⅣⅣ0.230~0.276ⅣⅣⅣⅣ

表2 不同沙粒径下型滞环曲线的滞后性指标(b=0.5 mmρs=80 kg/m3)
Table 2 Hysteresis indicators oftype hysteresis curves under different sediment grain size at b=0.5 mm,ρs=80 kg/m3

渗透参数粒径/mm0.092~0.1380.138~0.1840.184~0.2300.230~0.276Gp/(MPa·m-1)0.981.124.105.40S/(kPa·s-1)0.540.792.953.75

2.3 沙质量浓度对滞后性参量的影响

设定裂隙开度b=0.5 mm,沙粒径ds=0.230~0.276 mm,选用沙体积质量ρs为变量,通过设定20,40,60和80 kg/m3的4种不同水沙混合物,研究其裂隙渗流的滞环曲线。

试验中沙体积质量为ρs=80 kg/m3,不同沙粒径下的滞环曲线如图5所示,随沙体积质量ρs增大,Ⅳ型水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线的最大滞后量Gp逐渐增大。在沙体积质量为20~40 kg/m3和60~80 kg/m3时,滞环曲线的最大滞后量Gp增加较快,接近于线性增长,但滞环面积S则增长缓慢。当水沙混合物中沙体积质量ρs处于40~60 kg/m3时,滞环曲线的滞环面积S增加的较快,近似于线性增长,而最大滞后量Gp增长缓慢。

图5 不同沙质量浓度下Ⅳ型滞环曲线特性
(b=0.5 mm,ds=0.230~0.276 mm)
Fig.5 Under different sand mass concentration type Ⅳ hys-teresis curve features at b=0.5 mm,ds=0.230~0.276 mm

3 水沙裂隙渗流场及其影响因素模拟

3.1 水沙裂隙渗流场变化

采用ANSYS Fluent软件模拟粗糙裂隙中水沙两相流动,沙粒密度ρs=2 650 kg/m3,沙粒径Dp=0.04 mm,沙粒体积分数φ=4.06%,裂隙入口速度分别为0.349,0.532,0.697和0.869 m/s。

由图6可以看出,数值模拟得到的裂隙水沙流压力梯度绝对值-渗流速度曲线与试验得到的曲线变化趋势基本一致,压力梯度绝对值与渗流速度之间呈非线性关系。数值模拟结果小于试验结果,且数值模拟结果与试验结果绝对误差接近,相对误差则随流速增大而减小。

图6 压力梯度绝对值-渗流速度曲线比较
Fig.6 Pressure gradient absolute value-seepage velocity curve comparison

图7给出了裂隙入口速度为0.869 m/s时,裂隙入口处平均压力随时间变化曲线。其中,t=0~0.12 s区间为连续相流场压力曲线,t=0.12~0.20 s区间为注入沙粒后的水沙两相流场压力曲线。可以发现,裂隙入口压力在20 kPa附近剧烈波动,但是没有明显的衰减趋势,处于动态的稳定状态。

图7 裂隙入口平均压力-时间曲线
Fig.7 Average pressure-time curve of crack inlet

图8给出了裂隙入口速度为0.869 m/s时,t=0.17,0.22和0.27 s 三个时刻,X1=1.4 mm截面上速度、湍动能和压力分布。

由图8(a)可以看出,在X1≥2 mm内,流速在2.7 m/s附近波动,峰值和谷值相差很小,但波峰波谷并不吻合。在X1≥10 mm段,流速陡增。流体速度重新组合,沿X1流动方向各过流断面速度分布不断变化,壁面处黏滞作用使流体减速,边界层外中间部分流体加速运动。由图8(b)可以看出,在X1≥20 mm内,湍动能k在0.03~0.07 m2/s2剧烈波动。在X1≤ 2 mm段,湍动能陡增,说明从入口处开始的流体速度重新组合,造成流场湍流强度不断增强。由图8(c)可以看出,压力虽然在局部有些起伏,但是总趋势随X1直线下降。

图8 X1=1.4 mm截面上流场物理量分布
Fig.8 X1=1.4 mm cross section upper field physical quantity distribution

3.2 沙粒径对渗流场影响的影响

下面讨论沙粒密度ρp=2 650 kg/m3、沙粒体积分数φ=4.06%条件下,沙粒径对裂隙流场的影响。图9给出了压力梯度绝对值与沙粒径Dp曲线,水沙在粗糙裂隙中流动,在沙粒径为0 mm时压力梯度绝对值最大,在沙粒径为0.12 mm时压力梯度绝对值最小,在沙粒径为0.01 mm时压力梯度绝对值出现极小值。当 0.04 mm时压力梯度绝对值随沙粒径增大而单调递减。这说明水沙在粗糙裂隙流动中流动,当沙粒径较小时,压力损失随沙粒径增大而升高;当沙粒径较大时,压力损失随沙粒径增大而降低。

图9 粗糙裂隙横截面上连续相流体时均速度分布
Fig.9 Uniform velocity distribution of continuous phase fluid on cross section of rough fracture

文献[17]讨论孔隙介质中湿相和非湿相流体渗透的毛细滞后效应,岩石裂隙中水沙流动行为虽然复杂,但固液接触角的变化是滞后现象的一种原因。

3.3 沙体积浓度对渗流场影响的影响

图10给出了压力梯度绝对值-沙粒体积分数曲线,在相同的沙粒密度、相同的沙粒径和相同的沙体积分数条件下,水沙在粗糙裂隙中流动的压力梯度绝对值比在光滑裂隙中的大近40倍,并且压力梯度绝对值随沙粒体积分数的变化趋势不同,说明沙粒体积分数对压力梯度的影响取决于裂隙表面形态。

图10 粗糙裂隙横截面上连续相流体时均速度分布
Fig.10 Uniform velocity distribution of continuous phase fluid on cross section of rough fracture

由图10可知,水沙在粗糙裂隙中流动,裂隙横截面上连续相流体时均速度分布受沙粒体积分数影响很大。在X1=50 mm截面上,时均速度呈不对称的M形分布,有多个极值点。每个位置流体质点时均速度受沙粒体积分数影响都非常显著,并且最大时均速度位置在X1=1.2~1.5 mm变动。在X1=50.5 mm截面上,时均速度分布不再左右对称但峰值仍在中线X1=1.4 mm附近,有多个极值点;在壁面附近时均速度随沙粒体积分数剧烈变化;在其它位置,时均速度也随 变化但没有壁面附近显著。这表明,沙粒体积分数对X1=50.5 mm截面上水沙两相流动的影响主要发生在壁面附近(边界层)。

4 结 论

(1)随沙粒径和沙质量分数的增大,水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线的最大滞后量呈类似线性增大。

(2)粗糙裂隙裂隙面的构造导致水沙渗流场具有一定随机性,原因在于水沙在粗糙裂隙中沉积,使得粗糙裂隙面、水和沙之间相互关系复杂,压力梯度-水沙渗流速度关系不惟一。

(3)而在粗糙裂隙中流动时,当沙粒径较小时,压力损失随沙粒径增大而升高;当沙粒径较大时,压力损失随沙粒径增大而降低;裂隙横截面上流体时均速度和湍动能分布受沙粒径影响很大,表现为极值点位置的偏移。

(4)而在粗糙裂隙中流动时,沙粒的存在减小了压力损失,在沙体积分数为1.02%时压力梯度绝对值最小,当沙体积分数φ≥2.07%时压力梯度绝对值变化幅度很小;裂隙横截面上流体时均速度和湍动能分布受沙粒体积分数影响很大,表现为极值点位置的偏移。

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