文摘

通过钻孔流沙灾难发生在Longde煤矿。很多风积沙之间的体积是310000米³和380000米³在大约70.5埋到地下空间h。体积通量流沙无法计算准确的实证方法。基于流体力学的方法,流沙灾难通过钻孔的通用计算方法。结果表明,砂进入地下空间的侵入体积是310000米之间³和350000米³,这与实际结果是相一致的。应用和推广这种方法,法律的影响出水量体积通量的含水层的性质进行了讨论。使用的通用计算方法可以适当体积通量计算流沙灾难通过钻孔。

1。介绍

突水是最严重的灾害之一,在中国矿业(1- - - - - -4]。有广阔的沙漠5在地面和地下煤炭资源丰富6在山西、陕西、内蒙古、新疆、青海。流沙的隐患存在广泛在中国西部矿业(7]。偶尔流沙灾难发生突水,造成严重的经济损失(8- - - - - -11]。

有两种类型的流沙灾难。首先,流沙灾难造成的风积沙淹没到地下空间塌陷的区域,如图1(一)。当开采深度浅,骨折程度可能会通过岩层沙床上,甚至到地面。在这种情况下,水和沙子可以通过骨折和颗粒移动到采空区岩体,从而导致流沙灾难(14]。其次,流沙钻孔引起的灾难从地表到地下。例如,一场灾难所导致的突水和流沙Longde煤矿井下发生。钻孔直接惊呆了地下空间的情况下没有套管,导致突水灾害的流沙,如图1 (b)。大量的风积沙埋到地下空间。沙滩清洁工作持续了将近一年,造成严重的经济损失和矿业的困难。流沙灾害造成的多次钻孔已报告在论文[15,16),但直到现在没有合理解释这一现象。

在钻孔(即流动。,in the circular pipe) has been researched by researchers, and a lot of empirical formulas have been put forward.

曼宁改善了曼宁系数基于奇瑞的研究(17]。奇瑞的公式是 在哪里是速度,R水力半径,J是水力坡度,n曼宁系数。

海森和威廉姆斯(18提出了过渡区黑曾-威廉斯公式: 在哪里d圆管的直径和吗C_h是粗糙度高的经验系数。

基于wood-stave管的研究,美国19)提出了跟公式: 在哪里h_f是摩擦水头损失,l圆管的长度,问是体积通量,K_年代经验系数。

此外,还有许多其他经验公式如Blasius公式(20.和丘吉尔公式21]。Blasius公式适用于雷诺数低于10⁵基于大量的实验结果。丘吉尔公式可用于层流和湍流流场。

Longde流沙灾难的体积通量计算通过使用常见的经验参数值的经验公式,结果如表所示1。流沙的实际体积通量是4400 - 5400³/小时(部分2.3)。如表所示1薛齐公式的计算结果和美国远离实际的体积流量公式,和Hazen-William公式包含实际的通量。这些经验公式的简单的形式有助于方便使用的工程。然而,有两个不足:一方面,经验公式很难选择在不同条件下的灾害。Hazen-William公式可以用来计算体积通量Longde流沙灾难。然而,如果地质条件,水在头上,或钻孔直径不同的Longde灾难,Hazen-William公式的计算结果也会出现错误。另一方面,每个公式都有一个经验参数计算过程中难以确定。

因此,提出了一个通用的计算方法,通过钻孔流沙。伯努利方程(22),达西-韦史巴赫公式(17),半经验的尼古拉兹公式(23,24],Colebrook-White公式(25,26)结合来计算体积通量的流沙。此外,体积浓度、密度和粘度sand-water混合物类似工程进行了测试使用的方法。通用计算体积通量的计算方法可用于所有的流沙灾害虽然钻孔,在工程有一定的指导意义。

2。插图在Longde煤矿突水和流沙

2.1。这场灾难的过程

Longde煤矿位于陕西省榆林在中国西南和这个领域的形状类似于一个手枪,如图2。这个区域是极地大陆的容易受到长期影响。因此,大陆性气候显著,地面是由沙漠和山。

通过钻孔突水和流沙灾难发生在14:30 Longde煤矿,2012年9月17日。电缆钻孔的地质小组进行了建设中央水泵房。错误的统计的钻探深度和电缆钻孔直接进入地下空间没有保护措施,如钢套管和密封环造成立即消失在沙缝钻塔和下沉水泵房的沙子。然后,中央变电所不能正常提供电力。因此,整个煤矿被沙子淹没。

从9月17日到9月20日,虽然紧急措施已经被采取Longde煤矿、砂流入铁路,甚至主轴,和副轴,如图3。流沙的输沙管高度的位置,主轴,和辅助轴是1227。1 m, 1081,和1100,分别。然而,水线的输沙管海拔只有1029不到主要和辅助轴。这主要是因为风成砂已成为流体与水的润滑作用。

2.2。砂体积通量分析

地下空间的总量是488000米³在Longde煤矿。沙子清洁的统计数据提出了砂的实际体积是380000米³。77.9%体积的地下空间被沙子淹没。灾难发生后,为了保护基础设施如空气轴广场,防护措施;例如,用石头和混凝土重力坝成立。根据地质条件、沙沉降面积没有提出一个锥形但不规则锥形(棱柱体),如图4。沙沉降面积的拐点是监测灾难发生后70.5 h。图4是风积沙沉降地区的鸟瞰图。记录下了拐点西安80坐标27]。为了说明,起源点转化为C1点,如图4。

2.2.1。灾难持续时间

7拐点坐标图所示4。假设两个相邻点在一条直线,和鸟瞰图的面积是计算由以下方程: 在哪里一个鸟瞰图的面积,x经度(东)坐标,然后呢y纬度(北)坐标。

计算结果表明,该地区的鸟瞰图是22019米²直到70.5 h,灾难,但它只会增加40米²从70.5小时到238.5小时。面积变化百分比只会增加0.18%,这几乎是可以忽略不计的。因此,它可以证实灾害主要发生在70.5 h。

2.2.2。沙埋在地下空间的体积

需要计算的体积砂沉降面积体积取得的流沙。因此,不规则的锥形或棱柱体类型可以假定基于方法呈现沙沉降面积(15]。考虑到砂的摩擦系数是常数,摩擦系数测试,如图5。产生的摩擦力是重力和颗粒之间的接触力。摩擦系数的方程k= ,在哪里θ可以得到如图5和摩擦系数的平均值k是0.617。

计算的体积沙沉降面积,每架飞机的侧平面方程是首先建立的。统一的平面方程形式如下(28]: 在哪里一个,b,c,e平面方程的计算参数。

每个侧面的平面方程参数表2。的体积计算方法(29日]。沙沉降面积的总量是310000米³,小于380000的统计数据³从砂清洗。它可以解释说,沙量变化很容易在不同围压下。的围压清洗砂工作开始时几乎为零。但是地面砂围压的增加深度。的压实砂引起的沉降面积统计数据量大于砂清洗。总之,风积沙埋到地下空间的Longde煤矿70.5 h。沙子的数量是310000米之间³和380000米³,体积通量之间的4400米³/ h和5400米³/小时。

2.3。水体积通量分析

副轴的水位监测灾难发生后12 h。图6水在辅助轴体积通量随时间变化曲线。从图中,可以知道水体积通量只有12.291米³/ h在灾难发生后12 h。它下降到0.500米³30 h / h逐渐灾难发生的时候。假设水流入主轴,辅助轴,以同样的速度和空气轴,主轴的截面积,辅助轴,和空气轴17.813米²22.873米,²,28.260米²分别和总体积通量是辅助轴的3.014倍。在灾难发生后12 h,总体积流量为37.05 m³/ h,而只有1.51米³/ h在灾难发生后30 h。也会有少量的水流接近1.51米³我没有灾难/ h。因此,水体积通量变异造成的灾难可能是微不足道的。

总之,沙子的体积流量是4400至5400米³/ h,而水流只有37.05米³/小时。沙子的体积通量比这大得多的水。因此,它可以证实,突水灾害和流沙几乎是固体颗粒的流动Longde煤矿。Jaeger et al。30.]和MiDi [31日)也提出了微小的固体颗粒可以显示流体的特征。

3所示。流沙Longde煤矿的半经验的方法

3.1。流沙的概括灾难

钻孔的照片和室清洁后如图7。可以清楚地看到,在整个生产过程中钻孔并未损坏流沙的灾难,和钻杆保持井眼。这个概要文件的流沙过程如图8:(1)有风成砂层的厚度在地上30米。岩性为粉砂质细沙与不同的厚度变化。沙seam一起构成一个统一的含水层莎拉街组土层。(2)莎拉街组含水层是煤炭的主要含水层屋顶。主要岩性是基于粉细沙,medium-coarse砂岩和壤土。units-inflow在0.0441和0.0569 L·s⁻¹·米⁻¹。含水层属于低水丰富的地下蓄水层,如表所示3。(3)钻孔直径325毫米在流沙的灾难,包括一个内置的钻杆直径75毫米。钻孔和钻杆没有受损的灾难。因此,横截面积年代、湿周χ,水力半径R是0.0785米²、1.256米和0.0625米,分别。

3.2。建筑的计算方法

之前发现的方法用于流沙Longde煤矿,sand-water混合流的流体条件必须首先来判断,需要应用不同的公式计算的sand-water混合流在不同流体的条件。例如,流很容易获得一个精确的解析解在层流、湍流流场复杂时,计算的半经验的方法。流体条件可以通过雷诺数判断: 再保险是雷诺数,ρ是密度,是速度,d当量直径,直径吗d= 4R(摘要)μ动态粘滞度。

一般来说,R层流低于2300 e和湍流流场是2300以上。尼古拉兹(23湍流流动分为有效顺畅,过渡区和粗糙的流。

有效顺畅流动时,再保险的范围 在哪里k_年代粗糙度值。

当流过渡区,再保险的范围

流在粗糙的流时,再保险的范围

sand-water混合流的速度由粘性伯努利方程计算公式(22]。方程是 在哪里h_w水头损失,z是第三个笛卡尔坐标的横截面积,如图9,p是相对压力(绝对压力减去大气压力)的横截面积,然后呢和修正因素,与横截面积的速度有关。1 - 1区和2区(如图所示9)是相同的,所以大约相当于 。

从流体力学连续性方程(22),就可以知道,有一个体积通量之间的关系问1 - 1和2 - 2横截面积如下:

为井眼钻钢套管,截面积年代井眼保持不变,是相同的 。sand-water混合流与空气接触2 - 2区。2 - 2区域的相对压力接近为零。2 - 2区域作为基础水平,第三个笛卡尔坐标z₂是零。方程(10)简化为

的压头损失h_w是由摩擦水头损失h_f和局部水头损失h_j。从图9可以看出,钻孔是直管与一个常数截面面积。只有较低的局部水头损失h_j进口和出口。由于的价值h_j远低于h_f,h_j是微不足道的。所以,h_w约等于h_f。的h_f可以表示为(22] 在哪里l1 - 1区和2区之间的距离和是流阻率可以表示不同的方程在不同流动条件下。

在层流,方程(33]

在有效顺畅,方程(24]

在过渡区,方程(25]

在粗糙的流,方程(23]

从方程(15)- (17),它可以知道只有相关再保险有效顺畅。只有相关k_年代在粗糙的流。与两个和k_年代在过渡区。

把方程(13)方程(12),速度可以表示如下:

在结论中,计算模型图如图10。速度将会计算在不同流动条件下毕竟流参数已经确定。然后,再将获得的速度的计算结果。最后,水流条件将与重新验证一个接一个,直到正确的速度了。

3.3。计算的计算方法

计算参数如表所示4。风积沙的密度和粘度是通过实验获得。

粗糙度值在表的获取方式4如下:研究人员已经研究了不同粗糙度高度不同的岩石,如表所示5。所有岩石的粗糙度高度在0.9和16.2毫米之间。岩石在Longde煤矿主要是粘土岩和砂岩。山庄内的范围从1.0到5.3毫米没有流沙。但粗糙度值的变化是很难获得在流沙的过程。它可以知道体积通量的流沙大约是4400到5400米³/小时,速度大约是15到19米/秒。钻孔的粗糙度高度与高速摩擦将逐渐减少。这种现象就像磨砂样品,和普通砂轮是35米/秒的速度(直径200毫米,转速3150 r / min) (38]。因此,在流沙灾难现象可以描述如下:速度较慢,并且粗糙度值高。然后,粗糙度值逐渐降低风积沙的持续影响下,粗糙度值的速度增加而降低。之间的交互速度和粗糙度值重复,直到他们最终达到一个稳定值。附近的速度是砂轮的速度,粗糙度值的值是接近最低粗糙度高的技术标准,如表所示6。这样,0.1毫米到0.4毫米不同的价值,即最低粗糙度高值作为半经验的公式的计算基础。

获得的水压力如下:有4个水文水井位置附近的流沙灾难。水位高程是不定期地记录,如图11。从图中可以知道水位高程降低的地下工程,但没有减少暴力流沙灾难。含水层的递减规律是相似的流沙前后灾难。因此,观测数据的平均值4水文水井在10月29日被选中作为水位高程值的计算方法。和含水层的水位高度h₁1198 .20,蓄水层屋顶的高度吗h₂是1179米。水压力可以根据帕斯卡定律:

从方程(19),屋顶蓄水层的水压力p₁为0.187 MPa。

采取z₁等于157,p₁等于0.187 MPa,ρ_年代等于1652 .89公斤/米³在方程(12),它可以获得h_w和h_f等于168.54米和当量直径d= 4R等于0.25米。考虑上述参数方程(18),

计算的速度是联立方程(6),(14)和(20.),方程(6),(15)和(20.),方程(6),(16)和(20.)和方程(17)和(20.)当sand-water混合流,分别在层流,有效顺畅,过渡区和粗糙的流。计算结果如表所示7,它可以知道sand-water混合流属于过渡区,和速度和体积是15.32到17.78 m / s, 310000到350000米³,分别。量结果是实际结果中包含310000到380000米³。

4所示。讨论

随着煤顶板含水层水属于低丰度Longde煤炭领域的含水层,sand-water混合流可以被视为风积沙的流动的固体颗粒。然而,可能有高或更高水含水层(表3即使在沙漠地区。在这一点上,沙子的体积浓度Csand-water混合物将减少,密度ρ和粘度μ在方程(3)将沙子随体积浓度的变化。为了应用在本文中方便地计算方法,密度ρ和粘度μsand-water混合物不同体积浓度的沙子进行测试。

4.1。Sand-Water混合物密度流

不同的密度测试结果C得到,如图12。可以看出sand-water混合物的密度先增加然后减少体积浓度的增加沙子。马克斯结果值为2095公斤/米³当沙子的体积浓度是0.78。当沙子的体积浓度大于0.78,sand-water混合物的密度逐渐降低,而沙子的体积浓度趋于1,密度往往1652 .89公斤/米³这是风积沙的干密度。

4.2。动态粘度μSand-Water混合物的流

动态粘度μsand-water混合测试,如图13。马克斯sand-water混合物的粘度比是9.70,和干砂的粘度比是9.23。安装的测试结果。当年代低于0.49,拟合方程是什么 在哪里μ₀是水的粘度。

当年代在0.49和0.78之间,拟合方程是什么

假设风积沙充分的在地上。粗糙度高度是0.4毫米。水头高度的值z、压力p,钻孔直径d在第三节根据评估的方法。速度的计算结果条件下不同体积浓度的沙子了,如图14。它可以知道速度随砂的体积浓度的增加,总体趋势是接近一条直线。它可以解释说,分母的密度方程(6)和分子的粘度方程(6)随着体积浓度的增加而增加的沙子。但粘度的增加率大于密度;因此,再保险和速度的增加而逐渐减少体积浓度的沙子。总之,粗糙度相同的高度,水含水层丰度越高,体积浓度越小的沙子会(表3)。因此,sand-water混合物的速度将增加水丰度较高的地下蓄水层,然后将造成大规模灾难。

5。结论

一个通用的计算方法是由伯努利方程,达西-韦史巴赫公式,半经验的尼古拉兹公式,和流沙Colebrook-White公式来计算体积。密度的变化规律和动态粘度在不同出水量属性根据实验结果进行了分析。出水量的影响上的属性体积通量进行了讨论:(1)可以看出之间的流沙的总量是310000米³和380000米³,流沙灾害统计结果的持续时间约为70.5 h砂清洁和沙沉降面积随时间的变化规律。(2)水体积通量的价值远远低于砂体积通量。sand-water混合物可以视为干砂在Longde突水和流沙灾难。(3)沙子的体积之间的310000米³和350000米³,即,c一个lculated by all-purpose computing method, is contained with the actual result between 310,000 m³和380000米³。(4)sand-water混合物的密度和动态粘度随着砂体积浓度的增加而增加。固定值的水头,粗糙度高,钻孔直径、速度随砂体积浓度的增加,这意味着砂体积浓度下将更小、速度更快更高的含水层丰富水平。

符号

答:	沙沉降的面积
ρ:	密度
C:	沙子的体积浓度
问:	体积通量
d:	井眼直径
接待员:	水力半径
hw:	压头损失
再保险:	雷诺数
hf:	摩擦水头损失
史:	横截面积
h珍:	局部水头损失
μ:	动态粘滞度
珍:	水力坡度
	速度
凯西:	摩擦系数
χ:	湿周
k史:	粗糙度值
z:	第三个笛卡尔坐标的横截面积
李:	圆管的长度
	流阻系数
病人:	相对压力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果中包括文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(51708185号,51778215,和51504081)和河南理工大学的医生基础(Nos B2017-51和B2017-53)。作者要感谢这些金融援助。

补充材料

表面砂坑(表1),水体积通量(表2),水线街组含水层(表3),sand-water混合物密度流(表4),和动态粘度sand-water混合物(表5)。此前报道数据流,钻孔的直径,钻杆的直径,和钻孔粗糙度高,被用来支持这项研究,在doi: 10.1007 / s10064 - 014 - 0714 - 5和doi: 10.1016 / j.ijrmms。2007年。09.008。这些之前的研究都是在相关地方引用文本中引用(16,37]。(补充材料)