学科前沿讲座矿井突水渗流理论及研究方法

矿井突水渗流理论及研究方法刘启蒙博士2011-4-12水资源与规划系主要内容§1断层突水机理简介§2地下水渗流基本理论概述§3矿井突水渗流研究现状§4高水压条件下断层破碎带突水渗流转化机理初步研究§5矿井突水下一步研究重点和难点从过去大量突水事故中的水文地质资料和突水原因分析，绝大多数是与断裂构造有着直接关系的，据统计，80%以上的突水发生在断裂构造带本身及邻近范围内。例如井陉矿区，直接沿断裂发生的突水占74%，断裂影响带（距断层带15m范围）内占23%；在肥城矿区，与断裂构造有关的突水占72.6%，其中5次大于1000m3/h的突水，均与断裂构造有关。而且，突水过程中首要的是对突水量及突水动态变化特征的把握。而突水通道中地下水的渗流特征是决定突水量及突水动态变化特征的关键。因此，断层突水机理是矿井突水理论的重要环节。§1断层突水机理简介一、断层突水机理研究现状1、矿山压力与采动岩石（体）力学方面杨善安详细分析了断层在采空区的位置与突水的关系。黎良杰、钱鸣高等把断层分为张开型与闭合型，分别对其突水机理进行分析。谭志祥利用力学平衡的原理，计算底板断层在垂向方向承受的压力。李晓昭等提出断裂带内产生指向开挖空间的较大回弹位移和位移梯度，导致断层带内张性裂隙的产生和地下水的透入。§1断层突水机理简介营志杰利用煤层渗透性变化规律，确定了断层防水煤柱保持稳定和隔水的基本条件，并给出了相应的计算公式：式中：Wb为断层裂隙带宽度，Wp为弹性核宽度，Wy为屈服带宽度。施龙青结合矿山压力控制理论及几何损伤力学理论，分析了矿山压力对突水量的影响作用,研究了采场断层在矿山压力作用下活化的力学机理。张文泉以断裂的结构为切入点，从断裂产生的裂隙、节理的角度，运用断裂力学论述了裂隙、节理的扩展和贯通是底板突水的必要通道条件。§1断层突水机理简介2、复杂性方法方面邱秀梅、周瑞光等利用重整化群方法研究了断层单元体破裂的随机性和关联性，并对断层导水裂隙的扩展规律进行了分析。白峰青基于极限设计思想的概率方法提出断层防水煤柱设计的可靠度方法，认为断层沿侧向突水的概率小于沿工作面底板突水的概率.潘岳根据Mises增量理论，对岩体断层破裂的突变进行理论分析。杜文堂使用了可靠度分析的“JC”方法，分析了水压力、煤层抗张强度及突水系数的不确定性，建立了防水煤柱可靠度分析的极限状态方程。§1断层突水机理简介3、地质科学方面韩爱民从地质力学的角度，在基岩裂隙透水性基本特征分析的基础上，综合考虑影响断裂带透水性以及可能引起断层涌水的各种地质因素，总结出易于突水的断层的特征。倪宏革、罗国煌等提出了底板突水的优势面理论，认为在众多构造中，对突水起决定性控制作用的当属优势断裂。刘燕学探讨了断层构造对底板突水的控制作用，定性分析了相同的地质条件下，断裂破坏带突水的可能性较正常岩层突水可能性显著提高。§1断层突水机理简介杨新安将断层突水分为大断层突水与小断层（落差为几米的一条或几条断层构成的破碎带）突水，并分别分析了各自突水的特点和突水机理。4、模拟研究方面杨映涛利用相似模拟研究了底板突水机理，得出了有断层底板突水的可能性，与断层的位置和角度有关。周钢采用相似模拟探讨了断层上、下盘的开采顺序、推进方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。王成绪、朱第植、王维理等用有限元法，对底板突水进行了数值模拟。§1断层突水机理简介5、渗流理论方面Sheik.A.K和Pariseau.W.G认为在矿井围岩稳定性的研究中，水是矿井围岩稳定的主要决定因素。Geir.et.al在考虑地下水的影响中，采用了一个不受岩体采动影响的渗流模型，并对岩体变形与流体流动的耦合模型进行了应用。高延法分析了水与水压在底板突水中的力学作用。仵彦卿依据水力学特征，把岩体结构分为五类：孔隙连续介质、准孔隙连续介质，裂隙网络介质，双重介质，岩溶管道介质来进行研究。§1断层突水机理简介刘继山用实验的方法分别研究了单裂隙和两组正交裂隙受正应力作用时的渗流规律。郑少河等人在理论上推导了含水裂隙岩体的初始损伤及损伤演化本构关系，分析了渗透压力对岩体变形的影响机制。潘国营利用广义双重介质渗流理论，对焦作矿区岩溶水通过大量的水流模拟试验，得到了水在岩体裂隙和裂隙网络中的渗流规律。缪协兴、刘卫群、陈占清等研究了采动岩体渗流的力学机制。另外，杨栋、王芝银、李云鹏、黄涛、张建华、杨太华、周创兵、王瑗等在流固耦合方面作了很多的工作，提出了很多有益于工程的建议和结论。§2断层突水机理简介6、其它卜昌森基于大量的现场突水资料，探讨了在矿压作用下，地质构造的存在更容易引起底板突水。武强阐述了断层滞后突水的弱化机理和主要控制因素，提出了煤层底板断裂构造突水时间弱化效应的新概念。§1断层突水机理简介二、小结综上这些研究成果，许多学者对断层突水的原因及防治做了深入地研究，从不同的方面对煤层开采断层突水的机理做了许多有益的探索，对减少断层突水事故的发生，改善我国煤矿安全状况起到了重要的作用。但仍存在一些不足之处，主要包括以下两个方面的问题：1、由于断层突水问题本身的复杂性，大多数理论只从单一学科或某一方面进行研究。2、断层带渗流的定量化研究较少。因此，就以上两个方面作了一点探索。§1断层突水机理简介§2地下水渗流基本理论概述一、有关渗流的几个概念1、渗流流体通过多孔介质的流动称为渗流。渗流实质上不是真实的流体运动，而是一种假想的流动方式。“为了研究地下水的整体运动特征而引入的一种假想的水流，这种假想的水流具有实际水流的运动特点，并连续充满整个含水层”。—地下水动力学渗流一词是我国学者的“创新性发明”。在美国等西方国家渗流被描述为flowthroughporousmedia，即是通过多孔介质的流动，有时也简称为porousflow或seepage。而俄文中渗流的对应词意思为过滤器中的流动或“渗滤”。20世纪60年代初期我国学者给出了多孔介质流动的汉语定义：渗流。2010-9-112、多孔介质具有互相连通空隙的岩石，通常指的是孔隙及较小的裂隙和溶隙。广义：包括孔隙介质、裂隙介质（细小裂隙）和某些岩溶不十分发育（溶隙分布较均匀）的由石灰岩和白云岩组成的岩溶介质，都称为多孔介质。狭义：孔隙介质。多孔介质的一般性质（1）储容性：能够储集和容纳流体；（2）渗透性：允许流体在孔隙中流动；（3）润湿性：岩石孔隙表面与流体接触中所表现的亲和性；（4）非均质性：平面上和纵向上物理性质时常差异明显，孔隙结构狭窄而复杂；（5）多相性：固、液、气三相可共存;（6）压缩性：当压力增加时，引起多孔介质压缩。§2地下水渗流基本理论概述§2地下水渗流基本理论概述3、渗流的分类三个方面：地下渗流、工程渗流及生物渗流。（1）地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体（包括地下水、石油、天然气等）的渗流。主要涉及能源工业、农田灌溉、地下水污染及水利工程等。（2）工程渗流是指各种人造多孔材料和工程装置中流体的渗流。主要涉及化工、冶金、机械、建筑等行业。（3）生物渗流是指动植物体内流体的流动。分为动物和植物体内的渗流。§2地下水渗流基本理论概述二、研究渗流的科学—渗流力学1、渗流力学研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，又是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学学科交叉渗透而形成的。它是多种科学和工程技术的理论基础之一。2、地下水地表以下岩石空隙中的水。狭义指的是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。3、地下水渗流力学研究地下水在多孔介质中运动规律的科学，是渗流力学的一个分支。地壳岩石中的水岩石“骨架”中的水（矿物结合水）沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12·nH2O)结晶水：石膏(CaSO42H2O)结构水：高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)岩石空隙中的水结合水（矿物表面结合水）强结合水弱结合水液态水固态水气态水重力水毛细水§2地下水渗流基本理论概述地下水渗流的重点研究对象§2地下水渗流基本理论概述地下水渗流力学与地下水动力学的关系：目前来讲是一致的。研究对象（地下水，主要是重力水）、研究内容基本一致。不同点（个人观点）：（1）研究的范围。地下水动力学—孔隙介质；地下水渗流力学—岩石含水介质。（2）理论基础不同。地下水动力学—达西定律；地下水渗流力学—包括一切流态（不满足达西定律的层流及紊流）。这也是整个渗流力学的局限性：如何研究在一切含水介质中的流体的运动（包括不满足达西定律的层流及紊流），而非仅仅多孔介质中的达西流。§2地下水渗流基本理论概述三、地下水渗流理论的核心1、连续介质思想连续介质思想包含连续流体和连续多孔介质两个部分。（1）连续流体把流体看成一种具有连续性的理想流体，实际上是假定在所占据的空间中流体密度是一种连续函数。这一概念是Euler在1755年提出的。后来发展成为三个假设条件：①假设水流的性质（密度、粘滞性）与真实水流相同，充满了既包括空隙也包括颗粒所占据的空间。②在任意岩石体积内所受阻力与真实水流相等。③通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与真实水流相等。2010-9-11（a）渗透（b）渗流（a）渗透§2地下水渗流基本理论概述§2地下水渗流基本理论概述（2）连续介质—典型单元体用渗流场中某单元体物理量的平均值近似代替整个渗流场的特征值，该单元体称为典型单元体。连续介质思想就是用一种假想的连续介质（无结构物质）代替实际的多相流体或多孔介质。在这种假想的连续介质中，我们可以把运动变量、动力参数及变量看成是空间坐标和时间的连续函数。因此我们就能够运用高等数学来研究流体在多孔介质中的渗流运动。2、地下水状态方程地下水的状态方程实际上体现的是地下水的体积和密度与压力之间关系的方程，即：V、ρ-p关系)0(0ppeVV)]0(1[0ppVV)]0(1[0pp§2地下水渗流基本理论概述地下水压缩方程—地下水是可以压缩的：β—地下水的压缩系数，β=1/E3、多孔介质压缩方程多孔介质是可以压缩的：α—多孔介质压缩系数VdVdp1dpdbbVdVdp1ededp11§2地下水渗流基本理论概述4、达西定律—线性渗透定律Darcy,1856年，验证：通过饱和土体断面的流量Q与断面面积A和水力梯度J成正比，比例系数为K，称为“渗透系数”。注：达西定律反映了能量转化与守恒，是地下水动力学的理论基础。阀门砂LH2H1AQ出Q达西实验装置§2地下水渗流基本理论概述5、地下水连续性方程在渗流系统中的任何一个“局部”，流体运动必须遵守质量守恒。连续性方程是质量守恒定律的数学表达式。物理含义：某一渗流场中，流入流出单元体的质量差等于单元体内液体质量的变化。6、地下水渗流数学模型一个或一组数学方程与其定解条件加在一起，构成一个描述某地下水渗流问题的数学模型。)(])()()([zyxntzyxzvyvxvzyx已知其中，为初始时刻地下水的水位，数学模型：DyxtHPWyHzHKyxHzHKx),(,])([])([上。和、在CDBCAByxnH),(,0上。在ADyxtyxftyxH),(),,,(),,(DyxyxHyxH),(),,()0,,(0§2地下水渗流基本理论概述四、地下水渗流研究方法1、用力学和实验的方法研究地下水（1）流体力学用严密的数学方法描述流体平衡与运动的规律性。（2）水力学用流体力学的某些方法，结合实验和观测成果，分析水力现象的主要因素，以满足工程的需要。以上两种方法实质：①实际问题→→物理模型（简化过程）②物理模型→→数学模型（概化过程）③求解数学模型§2地下水渗流基本理论概述（3）实验方法复杂条件下，理论方法不能解决时，用实验方法—实验模型模拟实际地下水条件，获得近似的结果。实验模型：物理模拟（相似模拟）、数值模