文摘
煤层底板突水机制为了研究断裂的地质结构,捡了不稳定渗流理论,认为突水是不稳定渗流的化身。渗透测试的基础研究渗流裂隙岩石系统的不稳定,而实验系统和设备的基础渗漏测试。在本文中,我们引入一个新的裂隙岩体渗流实验系统测试伴随着大规模移民和损失,并讨论其发展和应用。介绍了设计和制造实验系统,子系统,组件及其功能,实验方案和实验过程。相比之前的实验系统,满足更多的功能,其中,最重要的改进是实现长期的渗透和保持水压力稳定在一个较高的水平。这些改进是由一系列的测试验证,结果表明,我们的实验系统具有较高的准确性、稳定性和可靠性。渗透时间和损失的分布质量不同的Talbol指数得到力量,和水压力的时变规律,水流,失去的质量,和孔隙度也显示通过的结果。尽管实验系统也有一定的局限性,例如,压力传感器和流量传感器的测量精度,提供了定量的最大压力位移活塞泵,微粒收集子系统,等等,我们将继续改进它在我们进一步的研究。
1。介绍
由于煤炭资源需求的不断攀升和渐进的肤浅的资源的枯竭,深基坑是大多数煤矿越来越普遍在中国。然而,深的煤层通常有非常复杂的地质构造1),例如,骨折,断层、陷落柱等。挖掘通常是伴随着煤矿突水事故,给安全生产带来严重威胁的煤矿(2,3]。
突水机制成为最热门的研究指出在学术界。一些学者认为骨折开发和扩大开采的围岩,然后与断裂的地质结构,造成突水事故,而其他一些学者把断裂的地质构造本身作为突水通道和认为突水发生的直接水压力是否满意。前的研究往往集中在挖掘影响突水的地质构造(骨折4- - - - - -11];相反,后者的研究倾向于更加关注破碎岩石的渗透性能。
中国矿业大学的研究团队和技术实施了一系列相关的理论和实验研究破碎岩石的渗透率基于MTS 815岩石力学伺服机构测试系统(12- - - - - -23]。他们认为水流破碎岩石服从达西定律,似乎支离破碎岩石的渗流系统非线性动态系统,并分析了系统的稳定性和分岔李雅普诺夫第一方法揭示煤矿突水机制与断裂的地质构造(12,13),命名为“不稳定渗流理论”。
不稳定渗流的条件是否可以实现的关键是身体不稳定渗流理论来解释突水;换句话说,只有非达西流β系数是负的,渗流会发生不稳定,发生突水。非达西的符号β因素(24- - - - - -26)是基于MTS815岩石力学伺服系统。当大规模移民的现象观察和损失在渗透测试中,学者们开始研究是否非达西的符号β因素有相关性这一现象。但增压器体积限制在MTS渗透电路测试系统,他们可以不再进一步研究。
克服缺陷的小增压器渗透电路的体积,姚(27)设计了一种设备,测试流体流动变化规律不同比例的条件下,轴向压力,等等,但设备只能测试流体流动改变3分钟,这是该设备的最大不足。然后是改善,缩短活塞和延长溢流罐(28]。不幸的是,仍有缺陷,压力控制的精度不够高。随后,渗透电路和测试系统被设计用于测试破碎岩石的渗透率,适应长时间的要求渗透,和岩石标本的进气压力必须保持稳定(29日]。实现一个长期渗透在一个稳定的压力下,一个可持续的加压渗透岩体的渗流试验装置可以控制压力稳定在很长一段时间内设计和专利(30.]。
尽管这些研究考虑大规模移民和损失在渗透过程中破碎岩石,他们未能认识到自由粒子的迁移一个长期渗漏测试。
本文介绍了一个新的渗透测试系统,实现一个长期渗透压力稳定和自由粒子的迁移破碎岩石,用于测试破碎岩石的渗透特性伴随着大规模移民和损失研究灾难规则破碎岩石的渗透,将提供研究参考判断渗流不稳定甚至陶醉在煤矿突水机制与断裂的地质结构。
2。材料和方法
2.1。实验系统
2.1.1。实验系统的功能需求
为了满足需求的破碎岩石渗流测试伴随着大规模移民和损失,各种因素,并总结了实验系统的功能需求,包括轴向载荷和位移控制,长期渗透,密封,压力控制,水流方向控制,数据收集、过滤和脱水,冷却,渗透模式切换,开放,和损失粒子收集。
尤其是,一些功能实现首次在裂隙岩体渗流实验系统测试伴随着大规模移民和损失。
例如,实验系统应该长期渗透和压力控制的功能,因此,在测试过程中,我们的实验系统可以实现水的标本不间断长时间稳定的恒压或恒流率,维持一个稳定的两端之间的压力差标本很长一段时间,调整的压力入口的标本研究非达西流渗透特性,以及实现长期渗透,也就是说,使水流入自由试样的一端,另一端流出。
实验系统也可以切换两种渗透模式:注射器入法或泵站贯入法,解决了传统的设备和系统中存在的问题,例如,前面的系统无法控制和调整水压力;此外,他们无法提供水稳定渗流的压力测试。现在,我们的实验系统能够提供持续稳定和可控的水压力在我们介绍注射器渗透之间的切换方法和泵站贯入法(31日]。
上面的两个函数和其他满意的功能将会改善破碎岩石的渗透测试的准确性。
2.1.2。实验系统的设计
渗透测试的设计实验系统在支离破碎的岩石伴随着大规模移民和损失如图1四个子系统组成,轴向载荷和displacement-controlling子系统,流体子系统,微粒收集子系统,数据acquisition-analysis子系统。
(1)轴向载荷和Displacement-Controlling子系统。轴向载荷和displacement-controlling子系统包含几十液压材料试验机从30吨重缩小成满足刚性需求,一个变量位移活塞泵支持力量,换向阀和安全阀改变电源,点动液压缸负载和改变试样的轴向位移,和一个位移传感器来控制位移的标本。
测试时,点动液压缸加载平台上设置的材料试验机器,权力和控制的变量给出位移活塞泵,换向阀和安全阀,可以控制加载点动液压缸的速度,改变样品准确的轴向位移,位移的标本所需的位移传感器。
(2)流体子系统。流体子系统包含填充标本的渗透仪,一个变量位移活塞泵和一个定量位移活塞泵提供动力驱动水流,换向阀和安全阀改变的力量,一个双动液压缸实现现实渗水测试由油压驱动水流,和一个压力传感器和流量传感器来收集数据。
流体子系统包括两种渗透电路,电路一个注射器渗透和渗透泵电路,和两个可以相互转换。
注射器渗透电路包含变量位移活塞泵,换向阀,安全阀,双动液压缸,等等。在测试时,我们首先调整换向阀1,打开截止阀2、3和5,关闭截止阀1和4,将水注入下腔静脉的定量双动液压缸的位移活塞泵,并关闭截止阀5后注入;其次,调整换向阀1,打开截止阀4,上腔静脉注入液压油的双动液压缸通过冷却器、节流阀、换向阀1和截止阀2的变量位移活塞泵推动双动液压缸的活塞杆向下使用液压油;第三,下腔静脉进入驱动水渗透仪通过截止阀3和4和流量传感器,控制油压力安全阀的上腔静脉,和控制的孔隙压力破碎岩石标本间接的低端;最后,记录数据的孔隙压力和侵入水流通过使用压力传感器和流量传感器实时流体流动过程。
渗透泵电路包含定量位移活塞泵,安全阀,等等。在测试时,我们第一次打开截止阀4和5,关闭截止阀3,调整换向阀2;其次,水推到渗透仪通过换向阀2,截止阀4和5,量化和流量传感器的位移活塞泵;最后,记录数据的孔隙压力和侵入水流通过使用压力传感器和流量传感器实时流体流动过程。
(3)微粒收集子系统。微粒收集子系统包含了振动筛,滤网,干燥机,等在测试,我们收集微粒通过振动筛和滤网后微粒迁移与水流的渗透仪,然后干燥和权衡。
(4)Acquisition-Analysis子系统的数据。数据acquisition-analysis子系统由一个数据收集器,一台电脑,和其他三个传感器子系统。测试时,物理参数,如压力和水流,由传感器获得的,收集的数据收集器,记录下电脑。
2.1.3。真正的生产实验系统
真正的生产实验系统是呈现在图2,包括上面提到的四个子系统。
轴向载荷的重要部分和displacement-controlling子系统如图3,左边是点动液压缸,其最大导线是50毫米,和一个是变量位移活塞泵,就是SCY14-1B的模型;它的额定压力为31.5 MPa,其权限误差为±4%。
(一)
(b)
渗透仪是最流体子系统的重要组成部分。渗透仪的细节,如地板,圆柱,透水板、活塞、溢流罐,和失去细particles-collecting坦克,呈现在图4。
水的摄入量和两个密封槽固定和研磨在地板上。缸的内径100毫米。在透水板槽和孔分布,这将使水的均匀分布压力当水流入气缸。活塞是25毫米的高度,和19洞的直径10毫米生产活塞,看起来像一个蜂窝煤球。六大出口的高度115毫米的缸溢流罐。活塞的独特设计和溢流罐确保微粒可以自由迁移,即渗透仪的关键组件实现渗透在岩石破裂伴随着大规模移民和损失。失去好particles-collecting罐有一个出口,以确保压得微粒流与水通过管道微粒收集子系统。
的其他部分流体子系统包括定量位移活塞泵和双动液压缸,如图5(一个)和5 (b)。定量位移活塞泵可以提供的最大压力8 MPa,及其工作压力是7 MPa,最大位移大约是每小时600 L。双动液压缸的内径220毫米活塞直径160毫米,及其体积最大的遍历和500毫米和20 L,分别。
(一)
(b)
振动筛和滤网微粒收集子系统如图6。振动筛的型号是450,和300 -网格细滤网是纱布,和相应的收集可能达到48个微米颗粒大小。
(一)
(b)
数据的主要组件acquisition-analysis子系统,例如,数据收集器、压力传感器、流量传感器、压力表在图所示7。数据收集器HWP2100R的模型,这与匹配的数据收集软件Dolgger,提高测试数据的处理和分析速度。BP800模型的压力传感器,测量导线和测量精度的16 MPa和2 kPa,分别。流量传感器是LZ系列金属管流传感器精度高,稳定性和可靠性。
(一)
(b)
(c)
(d)
2.1.4。补充说明
上面提到的四个子系统似乎相对独立,但他们的结构,而不是功能。有时,该实验系统可以提供的函数两个甚至三个子系统。例如,功能需求中提到的实验系统,实验系统的功能应该收集数据的压力和水流的及时、自动、高效地,但是这个函数是整个实验系统除了提供轴向载荷和displacement-controlling子系统。除此之外,一个子系统也可以几个功能。以流体子系统为例,它提供密封的功能,开放,和收集粒子损失。
有三个定量位移活塞泵渗透电路,它可以工作或者避免高温泵,实现长期连续贯入度试验。
2.2。渗流实验
为了验证我们的实验系统是否满足所有上述功能,我们进行一系列的破碎岩石渗流测试伴随着大规模移民和损失。
2.2.1。实验方案
我们使用Talbol连续分级公式(32匹配样本,力量指数n是0.1,0.2,…,0.9和1.0。这些标本被指控和压实120毫米,123毫米,126毫米,底部和水压加载的标本3 MPa, 5 MPa,分别和7 MPa。
在设计实验方案时,应该考虑几个功能,如长期渗透,控制压力保持水压稳定,注射器渗透之间的切换方法和泵站贯入法。因此,实验方案列为表1。
2.2.2。实验过程
破碎岩石的实验过程渗流测试伴随着大规模移民和损失分为几个步骤,如图8。
实验系统安装和调试将在测试之前,确保渗透测试可以执行成功。我们必须确保水压力研究8 MPa,观察是否有渗透电路漏电,检查数据收集器和传感器,等等,我们应该测试系统操作。
混合和充电成分也将做过测试。称重后我们混合类型的粒子大小不同混合比例的基础上,负责混合物倒入渗透仪和紧凑的标本,然后计算自然试样的孔隙度。
随着渗透仪组装到实验系统,标本最初加载到0.02 MPa,然后加载到位移,计算试样的初始孔隙度。随后,将水注入半小时,直到标本的标本是饱和。
渗透测试开始的时候,我们打开定量位移活塞泵和注入水双动液压缸。
调整后的压力设置值,水开始透过标本到渗流不稳定,水压和流量获取和记录所持有。如果不稳定渗流不发生,重启量化位移活塞泵,重复渗流实验。
失去的微粒收集定期到不稳定渗流;然后收集到的微粒屈指可数,干燥,称重。最终测试,左标本出院然后干重。
在测试完成后,数据进行了总结和分析,揭示了规则的大规模移民和损失其渗透过程中破碎岩石。
3所示。结果和分析
3.1。实现了长期渗透渗流实验
正如我们所知,突水结果从岩石渗流系统不稳定骨折不稳定渗流理论的基础上,渗透持续很长一段时间的裂隙岩体的渗流系统直到水流变化导致突水事故。有必要研究长期渗透岩石破裂了。
带着标本的初始高度120毫米为例,渗透乘以不同的Talbol幂指数的分布在不同水压力如图9。看到,标本Talbol权力指数为0.3,0.4,0.5,和0.6总有一个长稳定的渗透过程中,当水压力3 MPa,渗透稳定持续至少4000年代和600年代它至少持续5 MPa;水压力时因此原始渗流系统承受不起这样一个长期渗漏测试。最长的渗透稳定持续大约18000年代水压力是3 MPa,约60倍姚明的渗流系统,其渗透时间大约是300年代(27]。
3.2。稳定的水压力和水流
水压力和流的时变曲线的样品图所示10标本的Talbol权力指数,最初的高度,和装水压力是0.5,120毫米,分别和3 MPa。水流仍然几乎直到水流变化稳定在18000年代,和水压力也保持稳定,即使它有一个小范围的波动,在权限范围内误差,满足我们的设计功能。
最重要的改进新的渗流系统完全满足我们最初要求的实验系统。
3.3。测试渗透率参数特征
基于收集到的时间序列流渗流压力梯度,渗透率参数,包括渗透、非达西流β因素,和加速度系数,可以计算出33]。得到了渗透率参数的时变规律;我们也带着样品Talbol权力指数0.5的例子显示的时变规则渗透率、非达西流β因素,和加速度系数,如图11。在这些实验中,渗透率参数成功收集获得的时间序列流渗流和压力梯度和渗透率的变异特征参数的曲线,如图所示的步骤在初始渗流阶段这些曲线。
(一)
(b)
(c)
3.4。质量损失的行为在裂隙岩体渗流过程
还把标本的初始高度120毫米和水压加载3 MPa为例,渗透时间和失去了质量如图12。
可以看到,标本Talbol功率较小的指数,如0.1,0.2,和0.3,质量较大的损失,但稳定的渗透时间短因为这些标本有更高比例的微粒,可迁移和冲出轻松快速地与水流的标本,以便稳定渗透时间很短;值得注意的是,失去的质量增加随着Talbol力量指数的增加,因为标本更大的权力指数有较高比例的粒子在更大的规模,产生新的微粒在压缩和磨损在测试过程中,这些新产生的微粒迁移和熄灭。
标本Talbol幂指数为0.7,0.8,0.9,和1.0,他们失去的质量和稳定的渗透时间短,减少由于粒子在较大尺寸的比例越高,及其不规则的安排,导致更少的失去的质量和更大的孔隙度;如果微粒迁移从其结构,水流通道是自然形成的,因此,他们也有稳定的渗透时间短。
相比标本Talbol幂指数为0.1,0.3和0.7至1.0,标本Talbol幂指数为0.4,0.5和0.6微粒和大尺寸粒子的比例较低。在测试过程中,微粒迁移与水流动,并产生新的粒子在这些大尺寸颗粒的压缩和磨损;新产生的微粒还与水流迁移,但其他粒子块的孔隙部分标本虽然微粒不断产生,他们还与水流迁移,但随着毛孔阻塞部分,微粒不能熄灭的标本一样容易,导致失去质量的下降。原始微粒迁移,产生新的粒子,提供不断;标本的结构保持稳定,所以他们稳定的渗透时间更长。
取标本Talbol权力指数为0.5,初始高度120毫米,和水压力的加载3 MPa为例,时变规则失去了质量和孔隙度(34)如图所示13,特别是2000年代时变规则第一,正确的图所示。如图13所示,失去的质量随渗透时间的增加,和孔隙度的变化曲线几乎是一样的质量损失。显然,时变曲线分为三个阶段;在初始阶段,质量损失迅速增加;在中间阶段,失去了大众逐渐减少和增加的速度变得越来越慢;在最后阶段,几乎失去了质量保持稳定。
(一)
(b)
4所示。结论和预期
基于不稳定渗流理论,突水是骨折不稳定渗流的地质结构,体现和渗透测试是研究渗流的基础不稳定渗流系统的破碎岩石渗流的基础和实验系统和设备的测试。结合功能需求,一个新的裂隙岩体渗流实验系统测试伴随着大规模移民和损失是设计和制造来克服的缺陷在以前的研究和实验系统。介绍了子系统和组件的功能,最重要的新的渗流系统的改进是实现长期的渗透和保持水压力稳定在高水平,这是证实。标本作为例子来显示渗透时间和损失的分布质量不同的Talbol幂指数和陶醉的时变规律水压力、水流,失去的质量,和孔隙度。我们获得的实验系统表达时间渗透过程和更高的准确性、稳定性和可靠性。
新设计的试验系统可用于其他领域如果与其他设备相结合,例如,如果我们用玻璃半透明材料制造渗透仪缸,在渗透过程中问题可以研究结合CT设备,如微粒的运动和破碎岩石的破坏。当然,仍然有一些需要改进的方面,例如,压力传感器和流量传感器的测量精度;定量的提供最大压力位移活塞泵;和微粒收集子系统手动操作。这些短缺是我们致力于在接下来的阶段。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了中国江苏省自然科学基金(BK20160433和BK20170477),国家自然科学基金(11502229),江苏协同创新中心的联合开放基金生态建筑材料和环境保护设备和重点实验室为江苏省环境保护先进技术,QingLan项目的优秀青年骨干教师在江苏,江苏海外研究政府奖学金,奖学金盐城理工的海外研究和项目优秀年轻学者在盐城理工学院。