渗透水沙特征裂缝的渗流实验

文摘

水沙裂缝的渗流特征的研究具有重要意义,揭示了水和机制砂侵入。使用一个白手起家的水沙裂缝渗流测试仪器,水沙渗流试验,透水性和沙子的骨折。水沙流的磁滞特性达到骨折后得到所需的渗透率。结果表明,磁滞曲线变化从类型IV型与砂粒径和浓度的增加。所描述的磁滞参数最大滞后全科医生 和磁滞年代两者都表现出增加的趋势,增加砂粒径和浓度;然而,这一增长并不同步。平均速度和湍流动能分布的水沙流体在裂缝截面深受的粒度和浓度的沙子。本研究可以为进一步研究提供一个参考的突水浅煤层。通过仿真,发现粒度渗流速度有很大的影响,影响附近的侧壁表面大于中间位置。

1。介绍

水和砂侵入对矿山安全是一个严重的威胁,需要理解。sand-bearing水层总是煤层上方的图所示1。实验和理论研究是为了获得水和砂侵入机制(1- - - - - -4]。分析表明,水和沙子的互动机制是复杂的,影响因素包括骨折的通道,启动压力梯度的水和砂颗粒,沙子和水的浓度。

物流在光滑骨折可能被一立方关系,但是自然骨折是粗糙和流很难测量,导致许多研究[5- - - - - -8]。在裂缝的渗流的研究,许多学者发现裂缝的渗透率是非线性(9- - - - - -12]。直到最近,Forchheimer定律被广泛用于建模;此外,裂缝流的雷诺数也讨论(13- - - - - -15]。Izbash法律进一步修订占粗糙度(16,17)和裂缝的渗流与表面粗糙度和骨折孔径(18- - - - - -20.];这是很难确定由于缺乏精确的描述和测量技术由于断裂几何异构的和无形的。测量粗糙度的骨折,许多参数建立了表达(21- - - - - -24]。

杜et al。25)获得法律的水和沙子流破碎岩石,和刘et al。26获得水的渗透性和断裂在不同条件下的沙子。隋et al。27获得法律的干砂迁移和讨论了初始条件的水和沙子。马等。28和刘,刘29日)获得了渗流的水沙流管流,和胡锦涛et al。30.进一步证明了这一点。

研究水和沙子流,水和流的一些新特征的断裂进行了讨论。刘等人。31日]确定磁滞现象在水和沙子的流动,但没有讨论的详细特征。磁滞还发现磁力和应力应变场,和类似的法律还发现了透气性31日,32]。风扇和刘33在循环装卸)获得了渗透率滞后。胡锦涛et al。(34),段et al。(35)获得了渗透率滞后加载路径和应力敏感性系数,是高于卸载路径。

通过分析,水和沙子运输机制已经认识和阐明。作为主要的传输通道,断裂是主要的渠道水和沙子迁移,但其迁移规则尚未确定,导致需要进一步分析当水和沙子流过骨折。

这项工作的目的是识别砂的水渗透特性为研究对象,使用室内测试来确定滞后裂缝的渗流水和沙子的变化特征,并利用数值模拟研究水和沙子渗流场的影响因素。这是具有重要意义的掌握砂的突水机理和运动。

2。测试原理和方法

2.1。测试材料

摘要岩石样本从低于265−砂岩在山西,我烹调的菜肴,裂缝的长度l= 125毫米,高度h= 75毫米,b= 0.25毫米、0.5毫米、0.75毫米和1.0毫米,如图2。沙子从Lingshou县,河北省,四种粒子大小:0.092 - -0.138毫米,0.138 - -0.184毫米,0.184 - -0.230毫米,0.230 - -0.276毫米。渗透测试是在20公斤/ m³40公斤/米³,60公斤/米³,80公斤/米³,分别。

2.2。实验设备和步骤

一套实验系统的设计和制造,如图3,包括水和沙子的混合系统(1),水和沙子加载系统(2),数据采集系统(3),计算机(4)和渗流装置(5)。

测试步骤如下:(1)测试系统是根据图组装3,样品加载。实验系统的泄漏进行了测试。(2)沙粒子直径0.038∼0.044毫米放入混合池,砂浓度是20公斤/米³1立方米的水。控制电动机转速、流量和压力在不同旋转速度记录而断裂孔径0.75毫米;电机转速是200 r / min、400 r / min, 600 r / min, 800 r / min, 1000 r / min。骨折的不同压力和渗流速度得到使用无纸记录仪。砂浓度ρ_年代在水中40公斤/米³,60公斤/米³,80公斤/米³,分别。(3)流量和压力在不同粒子直径(0.038∼0.044毫米,0.061∼0.080毫米,0.090∼0.109毫米,和0.120∼0.180毫米)记录在不同的旋转速度。为了便于计算,我们认为每个范围的粒子直径的算术平均,0.041毫米,0.071毫米,0.100毫米和0.150毫米。(4)根据方程(1),渗透率参数可以通过最小二乘法拟合36]。 在哪里μ_e是有效的粘度,k_e有效渗透率,β非达西系数,问流,p是压力。

3所示。结果与讨论

3.1。骨折孔径对渗透率的影响

让我_e=k_e/μ_e,水和沙子在裂缝的渗透率参数如图4。

砂的质量浓度是20公斤/ m³40公斤/米³。裂缝开口分为五个等级:0.5毫米,0.75毫米,1.00毫米,1.25毫米和1.50毫米。压力变送器和流量传感器的数据收集后渗流系统的压力和流量稳定。渗透测试结果砂粒径0.038∼0.044毫米,沙质量浓度20公斤/ m³40公斤/米³,节理粗糙度系数(JRC) 2 - 4,分别。

从图4,有效流动的水和沙子的断裂与裂缝宽度的增加,而非达西系数随裂缝的宽度。

裂缝渗透率(孔径有巨大的影响37];许多学者研究了关于水和气体(38,39),修改了立方法律或Izbash法律。在这项研究中,我们讨论了有效的流动性,这取决于裂缝的形状和不同流体的特点,因此对水和气体物质。结果可能是安装使用立方定律。

3.2。断口粗糙度对渗透率的影响

表1显示了有效流动和非达西流系数的变化β水沙混合渗流的粗糙度。渗透水和沙子的骨折是通过改变断口粗糙度和质量浓度。之间的关系我_e,β,和JRC是一个指数函数。

随着孔径的增加和联合研究中心骨折的有效的流动性增加,非达西系数降低。在骨折的范围光圈∼1.5毫米和0.5毫米联合研究中心2∼8,有效的流动性是10⁻⁸∼10⁻⁵米^{n+ 2}。年代²⁻ⁿ/公斤,和非达西系数β是10⁵∼10⁸米⁻¹。

胡锦涛et al。(40)得出的结论是,粗糙度会影响浓度的分布,减少有效扩散系数。彭et al。41]发现断口粗糙度的增加,浓度会导致在达西渗透系数降低。Yu和李42]讨论了粗糙度和溶质运输之间的关系曲线和成熟度的主要通道。在这里,我们讨论了水和沙子流过断裂,而有效的流动性我_e=K_e/μ_e介绍了,K_e是水和沙子的渗透率在骨折和μ_e是水的粘度和沙子。这是一个新的方法来确定共同影响水和沙子在断裂的特征。

3.3。磁滞特性的变化

骨折孔径是0.75毫米,骨折孔径比平均粒径为2.7:1。渗透测试是一步一步进行。在图5,没有一一对应压力梯度与渗流速度之间的两个阶段的上升和下降的压力梯度。

压力梯度的增加和减少,压力梯度与渗流速度形成一个闭合曲线在平面坐标。在压力梯度的增加和减少,四个磁滞曲线。完整的磁滞曲线分为两个部分:电梯部分OAB并返回部分英航和o . I型的升力曲线和回归曲线曲线相交,II型曲线类似于磁滞曲线的升程曲线和回归曲线类型III曲线重合部分,和IV型的升力曲线和回归曲线曲线不重合点在整个过程。

砂粒径和浓度的增加,滞回曲线组成的压力梯度与渗流速度逐渐从I型变为IV型,如表所示2和3。

磁滞曲线类型的I, II, III, IV可以从前者到后者的增加砂粒径和浓度表2和3。原因是有很多水沙流的运动模式在骨折,如单相流(没有沙子和水)之间的相对速度,两相流(沙子和水之间存在相对速度),和弹状流(有一个或多个接口之间的沙子和水)。磁滞曲线的变化与砂的粒度和浓度变化。

3.4。砂颗粒大小对磁滞特性的影响

分析砂粒径的影响滞后参数的IV型磁滞曲线,渗流速度压力梯度磁滞曲线的最大磁滞和滞后区年代四组的样本图进行了总结6。

图6显示的最大速度压力梯度磁滞曲线的滞后IV型水沙流往往随着砂粒径的增加而增加。磁滞曲线的最大滞后增加砂粒径时慢慢∼∼0.161毫米和0.207毫米0.115毫米0.253毫米。的磁滞曲线0.161毫米∼0.207毫米,最大磁滞迅速增加,近似线性增长。

3.5。砂浓度对磁滞特性的影响

骨折孔径b= 0.5毫米,砂颗粒大小d_年代= 0.230毫米∼0.276毫米,沙质量浓度p_年代被选为变量。裂缝渗流研究的磁滞曲线设置四个不同水沙混合20公斤/米³40公斤/米³,60公斤/米³,80公斤/米³。与颗粒大小对渗流的影响相比,浓度对渗透率的影响更加直观。与浓度相比,粒径变化之间0.138∼0.184毫米和0.184∼0.230毫米,但浓度对磁滞的影响基本上保持类似的线性关系。

不同粒径下的磁滞曲线如图所示7。的最大速度压力梯度磁滞曲线的滞后IV型水沙渗透砂浓度增加而增加。当砂浓度范围从20公斤/米³40公斤/米³和60公斤/米³到80公斤/米³,磁滞区域磁滞曲线的线性增加,但最大滞后增加缓慢。

装卸循环产生重大影响样品的渗透率滞后35,43),滞后效应比这更重要的在三轴应力条件下真三轴应力下(44]。要分析的尺寸效应是一个重要因素,一般而言,大尺寸有更大的磁滞45]。

在这项研究中,两个新参数介绍:第一个是最大的磁滞和第二个是滞后地区,哪个更明确。水和沙子的断裂表现出类似的趋势:随着粒度和浓度的增加,磁滞显示了一个增加的趋势,但过程非常非线性的。

4所示。模拟水和砂流的骨折

4.1。水和流动速度骨折

图8显示速度云映射当裂缝入口速度是0.869米/秒t= 0.27 s。从图可以看出8(一个),速度分布的变化极大地当流体进入裂缝通过裂缝入口。骨折的流程大致可以分为两个部分。断裂的粗糙度可能导致动荡,导致水沙流的速度下降,水沙流和中间的速度明显大于断裂附近的墙。一部分是主之间流动X₂= 1毫米,X₂= 1.8毫米。速度范围从2.21 m / s, 3.16 m / s,和有许多不连续高速区域。生成的主要流动曲线是尖角的骨折,和曲线沿着流动方向分布不均匀。另一部分是涡区域的凹角骨折,漩涡中心的流体速度和壁边界层区域较低。作为X增加,水和沙子的速度减少。

从图可以看出8 (b),绝对压力gradient-seepage速度曲线的两阶段裂缝水沙流数值模拟得到的曲线测试,获得的是一致的,是一个非线性的绝对压力梯度与渗流速度之间的关系。数值模拟结果小于实验结果的相对误差在18.5%和46.7%之间。应该注意,绝对误差在数值模拟结果和实验结果接近在不同的流速,而相对误差与流速的增加减少。

4.2。砂颗粒大小的变化

砂粒径的影响讨论了裂缝流场条件下砂粒子密度2650公斤/米³和沙子颗粒体积浓度为4.06%。图9显示压力的绝对值gradient-sand粒度曲线。水和沙子流在粗糙的骨折。压力梯度的绝对值是最大的砂颗粒大小为0时,和压力梯度的绝对值是最小的,当砂粒径为0.12毫米;似乎压力梯度的绝对值最小砂粒径为0.01毫米。在0.04毫米,压力梯度的绝对值与砂粒径的增加而单调减小。这表明水和砂流的骨折。当砂粒径小,压力损失随砂粒径的增加;当砂粒径大,压力损失随砂粒径的增加而减小。

在图9、水和砂流的骨折,和连续流体相的均匀的速度分布在断裂截面大大地受到砂粒子的体积浓度的影响。在横截面上X₁= 50.5毫米的时均速度分布不再是对称的,但峰值附近的中央线X₂= 1.4毫米,与多个极值点。平均速度发生了巨大的变化与墙面附近的砂颗粒的体积分数。在其他地方,时均速度也随速度,但它不是重要的墙面附近。这表明砂粒子体积分数的影响在水沙两相流部分X₁= 50.5毫米主要发生在墙表面附近。

5。结论

(1)渗透水和沙子流断裂由自制的实验装置,测试有效的流动性分布在10⁻⁸∼10⁻⁵米^{n+ 2}。年代²⁻ⁿ/k,非达西系数β分布是10⁵∼10⁸米⁻¹。(2)与砂粒径和沙质量浓度的增加,最大速度梯度磁滞曲线的滞后线性增加。(3)粗糙的断裂表面的结构在一定的随机性结果水沙渗流场。原因是水和沙子在粗糙的断裂表面的沉积,导致一个复杂关系的断裂表面,水,沙子和独一无二的压力梯度和水沙渗流速度之间的关系。(4)当砂粒径小、压力损失随砂粒径的增加。当砂粒径大,压力损失随砂粒径的增加而减小。平均速度和湍流动能的分布裂缝截面的液体是极大地受到砂颗粒的大小的影响,这是显示的位置偏差的极端观点。(5)通过仿真,绝对误差在数值模拟结果和实验结果接近在不同的流速,而相对误差与流速的增加减少。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(52034007)、徐州科技项目(KC18118),和研究的国家重点实验室基金煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM18KF009和SKLCRSM19KF013)。

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