文摘

为了处理固体废物和保护脆弱的生态环境在地面上,利用煤矸石作为充填材料在地下采空区不仅可以达到良好的废物处置也减轻地表沉陷和保护地表建筑物和生态环境,具有伟大的现实意义和应用前景。在水渗流过程中,内部渗流通道的演化规则大部分充填材料的理论基础是water-preserved矿业的实现。为了获得清晰的知识大部分充填煤矸石的渗流特征与不同大小、渗流参数的演化规则主要包括位移、孔隙度和渗透率的煤矸石和液压通过COMSOL数值模拟进行了分析。的进化规则的渗流特征揭示了不同尺寸的体积填充材料结合当前实验和数值结果。此外,目前的渗流实验与数值模拟结果进行了比较,证明是可靠的。这项工作可以为调查提供理论基础内部渗流路径的演化特征的体积填充材料和选择适当的批量填充材料在不同应力和渗流环境。

1。介绍

煤矿实施了严重影响地下水和地表水系统的平衡在中国(1- - - - - -4]。在煤矿特别是现代采矿过程中,原始的上覆地层严重受损在强大的在地下采矿工作面,从而形成大量的调水骨折(5- - - - - -8]。当调水骨折与含水层,地下水可以流到工作面沿调水渠道由骨折,可对矿山安全生产构成严重威胁,伴随着地下水位下降,水质的污染9- - - - - -12]。据统计,大约2.5 - 4米³地下水污染的煤炭开采1吨(13- - - - - -15]。因此,如何实现水资源充分保护煤矿的煤炭开采行业亟待解决的问题。

开采与充填或充填采矿是一种有效的措施抑制调水区骨折程度的高度发展和保护含水层。获得深入的知识渗透批量规则填充材料不同粒径在一个复杂的地下水环境可以为实现water-preserved矿业(奠定坚实的理论基础16- - - - - -19]。目前,来自世界各地的学者进行了大量的研究渗流体积填充材料的规则。结合室内试验、理论分析和现场应用,马等人研究了非达西水力特性和变形行为的大量煤矸石和得出结论,孔隙度和渗透率的煤矸石增加原始GSG的增加和减少的应力变化率20.]。Raziperchikolaee等人关注变形岩石的渗透性的关系关节和震源响应,建立了流体在微尺度flow-geomechanics-seismicity模型,调查了取代反应和失效机制的裂隙的砂岩样品开发沿着关节在开发(21]。李等人研究了颗粒大小的影响的压缩变形和粒子损失在采空区充填煤矸石,分析了压缩变形,粒子聚集分布,测量体积充填煤矸石的形状变化规律(22]。明等人研究了孔隙弹性的影响在粘性不稳定的含水层溶质输运过程和构造耦合流,移民,和地质力学模拟扩散框架,混合和变形机制指法物含水层的过程(23]。张等人研究了孔隙压力演化规则和能量损失的特点在渗流过程中不同大小的煤矸石和执行测试渗透率,质量损失,在渗流过程中煤矸石的孔隙压力24];根据测试结果,煤矸石破碎的质量损失增加的不成比例的增加大粒径。最终,尽管大量的实验室测试的体积填充材料的渗透率,学者(25- - - - - -28)主要集中在基本渗流参数和体积填充材料的基本物理/力学特性而忽略体积填充材料的粒径的影响的渗流特征和内部渗流演化规则。

在这部作品中,采空区充满了不同大小的固体废弃物为主要填充材料。在复杂的采场环境下,在上下相邻的承压水含水层渗透不断通过调水入采空区裂隙带和不同的地质结构;因此,大部分总是在渗透性的矿山充填材料。紧凑的填充体耦合的地壳应力下的变化和地下水流。散装材料不断受到地壳时压实压力,粒子逐渐压碎和雅致,伴随着不断变化的毛孔中颗粒和流体的渗流通道。接下来,批量的大小粒子填充材料变化,承压水进入充填体通过调水采空区裂隙带;随着渗流压力的增加,孔隙通道在充填体内逐渐变化和体积填充材料不同尺寸不同渗流通道和规则。调查主要填充材料的渗流特征与不同的大小是water-preserved采矿的关键科学问题。

在这项研究中,基于实验室测试和数值模拟的影响充填煤矸石与不同粒径范围(0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米和15 ~ 20毫米)渗透流量和渗透率参数深入调查。位移、孔隙度、渗透率的演化规则填充后的煤矸石和液压模拟利用COMSOL数值模拟软件。最后,各种渗流参数的演化规则申请后被上面显示不同大小的材料实验室和模拟数据。与此同时,验证了实验结果的可靠性数值模拟数据。这项工作可以为研究提供理论基础内部渗流路径的演化特征的体积填充材料和选择适当的批量填充材料在不同应力和渗流环境。

2。材料和方法

充填材料主要包括不同大小的煤矸石本质上是一种不连续的媒体(29日- - - - - -32),自己在压实过程中改变。

2.1。实验材料

大部分充填材料在这个工作主要是由不同大小的煤矸石。煤矸石是直接从矿山和收集标本不同大小范围,如图1。

在实验之前,收集大量的煤矸石和压碎。具体而言,大型煤矸石被人为地碎碎片尺寸范围为200 ~ 300毫米,煤矸石碎片可以顺利通过破碎机的入口;接下来,小煤矸石通过一步一步的方孔筛子筛选,获得小煤矸石具有不同大小范围(0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米,和15 ~ 20毫米)。图1显示了煤矸石粉碎后与大小不同。

2.2。实验方法和设备

2.2.1。轴向载荷

如图2,试验加载系统被用来提供材料压实的轴向力。使用帕- 1000 d电液伺服万能试验机,在位移加载应用模式0.5毫米/分钟的速度。测试人员可以实时显示测量过程和实验结果。测试人员的最大试验力1000 kN可以自动测量材料的特征点和情节应力/应变和应力/位移曲线。当调查的渗流特点不同大小的煤矸石在轴向压应力,轴向加载力设置为4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 16 MPa, 20 MPa。

2.2.2。渗流系统

大小不同的渗流特征研究了煤矸石的液压2 MPa, 3 MPa, 4 MPa, 5 MPa, 6 MPa, 7 MPa, 8 MPa。为了实现散装水渗透填充材料,恒液压被逐步应用于底部的材料在压力下,从而生成上层大气压力之间的压差。因此,水可以自由流动的一端批量填充材料和从上端。大部分的压力在进口填充材料控制的液压动力单元提供不同的进气压力大部分填充材料。

图3显示了实验渗流系统,主要包括渗透仪、液压控制系统和数据采集仪器。在目前的研究中,渗透仪是水平放置在加载平台,其底部接触加载平台。圆柱管放置在底部,由形橡胶密封圈密封。多孔板被放置在底部的圆柱管。圆柱管充满了大量与活塞表面填充标本。与轴承列活塞连接,结构平衡,溢出桶。最后,垂直轴向应力可以应用于批量填充材料的加载试验机通过溢出桶盖,溢出桶和活塞。

2.3。渗透测试的测量原理

本实验系统用于测量体积填充材料的渗流特征的稳定方法。为了模拟地壳应力的影响在不同埋藏深度批量填充材料的渗流特征,渗流行为在不同的轴向应力和轴向应力控制方法进行了测试。根据采矿工程环境中,轴向应力在初步设计中设置4 ~ 20 MPa的范围。轴向应力均匀增加,位移在每个轴向压力( )被记录。同时,残余高度可以在初期蓄水计算高度和厚度的上和下多孔板,也就是说, ,原理如图4。

液压4水平或以上注射从底部通过液压泵的散装材料。基于实际工程背景和当前的测试条件,液压压力在1 ~ 7 MPa初步设计。接下来,当流程到达稳定值在每个液压水平阅读,即。在稳定状态下,速度,表示 ,可以获得。相应的压力梯度对应于每一层的液压等于压力之差的比值在出口和进口的液压散装材料的高度,也就是说, 。接下来,可以绘制散点图的每一层压力梯度和相应的稳态渗流速度和渗透和非达西系数在轴向压力可以通过拟合得到公式(1)如下:

3所示。实验方案和比例

3.1。比例设置

为了探索不同大小的煤矸石充填材料的渗流特征不同的轴向载荷和围压下,煤矸石颗粒大小的范围被设置为0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米,和15 ~ 20毫米,轴向载荷设置为4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 16 MPa,和20 MPa,而液压被设置为2 MPa, 3 MPa, 4 MPa, 5 MPa, 6 MPa, 7 MPa,和8 MPa,分别;试验方案如表所示1。

轴向载荷被设定为4 ~ 20 MPa,模拟地壳应力从浅埋煤层深井几公里的深度。表2显示了通过计算轴向载荷和相应的油压。液压被设定在2 MPa范围内8 MPa,它几乎可以满足地下承压水的压力范围。轴向载荷循环应用,即。,the axial load at the next level was applied for seepage after the load of each level of axial load. If no water passed at a hydraulic pressure of 7 MPa (i.e., water flow at a steady state equaled to 0), the loading stopped. It should be noted that steady state refers to flow reaching a stable value within a short time.

3.2。测试过程

大小不同的筛选煤矸石在水中浸泡24小时。接下来,煤矸石浸泡后相同的粒径范围内放入渗透仪。轴向加载4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 10 MPa, 16 MPa, 20 MPa加载在帕- 1000 d电液伺服万能试验机。在每一层的轴向载荷下,液压压力逐步增加和数据流不同液压压力下阅读。图5说明了详细的测试过程。

4所示。实验结果

4.1。物理特性的测量结果

以下4.4.1。煤矸石密度的测量

本研究选择自然煤矸石、一些批量填充材料在自然状态下,或饱和体积填充材料浸泡24小时后测量。质量和体积是由电子天平称重和适当的量杯计算密度。应该注意的是,实验者应该看看前面的量杯尽可能的水平,以获得准确的读数。最后,计算结果的平均密度平均体积填充材料。具体的计算公式见公式(2)如下: 在哪里表示标本密度,表示选择的测量,表示标本密度测量,表示的标本质量th测量,表示样品的体积测量。

如上所述,充填煤矸石是一种不连续的媒体。堆积密度是一个相当重要的参数来确定采空区的充填材料的消耗。一定质量的煤矸石块相同的粒径范围内随机选择并放置到圆柱管。粉碎煤矸石块的体积可以通过测量确定装载高度和圆柱管的大小。结合煤矸石的总质量,包装密度计算公式见公式(3)如下: ,“”表示煤矸石的堆积密度标本。””表示的总质量煤矸石样品管,””表示煤矸石试样的体积管,”“表示管的内径,和“”表示的煤矸石试样管的高度。

根据上述测量方法和计算公式,天然密度、饱和密度,提出煤矸石的堆积密度和不同尺寸计算,结果见表3。

4.1.2。最初的煤矸石试样的孔隙度

孔隙度是指孔隙体积的比值时,累积体积块之间的粉碎煤矸石包装,可以直接反映充填煤矸石的压实度。更高的压实程度低孔隙度的象征,这是导电的水流;相反,水可以更难以通过样品孔隙度较低。孔隙度计算公式见公式(4)如下: 在哪里表示原始煤矸石试样的孔隙度和表示原岩体积。表4列出了不同大小的测量峰值充填煤矸石。

4.2。影响粒径的流率和渗透率参数

为了澄清粒径的影响流率和渗透率参数,煤矸石具有不同大小范围(0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米,和15 ~ 20毫米)被选为渗流实验4 MPa的轴向载荷下,6 MPa, 8 MPa, 10 MPa,分别和16 MPa。表5列出了不同大小的煤矸石的渗流排放在相同的轴向载荷,但不同的液压压力。

列在表5渗透流量等于0时,大部分充填材料的加载停止。在一个固定的轴向载荷,不同大小的煤矸石的渗流排放逐渐增加与增加液压。这可以归因于大量不连续的填充材料。随着水压的增加,更多的调水骨折出现在填充材料,伴随着大量的调水骨折区在整个填充材料。图6显示渗透流量和水压的变化不同大小的煤矸石的轴向载荷。

它可以观察到在图6与轴向载荷渗透流量下降速度降低。同时,流量在一个固定的轴向载荷显示没有变化,接近为0。这主要是由于大部分充填材料逐渐压实下轴向载荷增加,伴随着逐渐压实的调水通道填充材料。轴向载荷增加到一定值时,大部分的毛孔填充材料被逐渐压实和水不能渗透到填充材料;在那一刻,大部分充填材料的渗透流量等于0。当批量填充材料的粒径稳步增加,水的渗透流量增加而增加液压在一个固定的轴向载荷。的结合程度很低,一般在大型煤矸石水通道。同时,内部渠道下的批量填充材料也改变了改变轴向载荷和内部调水断裂通道进行了动态变化。这可以奠定基础研究的渗流特征与不同粒径体积填充材料。

通过拟合不同液压压力下产生的压力梯度渗流速度在一个固定的轴向载荷与非达西定律,满足Forchheimer公式,渗透率和非达西渗透系数在公式,拟合曲线如图7- - - - - -10。

数据5- - - - - -10显示压力梯度之间的拟合曲线在不同的液压压力渗流速度不同大小的煤矸石在不同的轴向负荷。由于有限的流量计的测量范围在目前的实验中,大型煤矸石的流量在轴向载荷超过了测量范围小,而小型煤矸石被压缩在一个很大的轴向载荷,导致0流量在不同的液压压力。因此,渗透率参数不能通过拟合获得。煤矸石的渗透率参数与不同粒径如表所示6。

考虑到流量计的测量范围的限制,一些不能定量分析渗流特征,但定性测量。根据实际情况,流量仍然等于0的液压5 ~ 7 MPa,表明优秀的防水性能。

它也可以观察到数据5- - - - - -10压力梯度和流速低轴向载荷大约线性关系。此外,非线性增强与提高轴向载荷。在轴向载荷的开始,大部分材料松散填满大的渗透流量。接下来,随着轴向载荷逐渐增加,毛孔在大部分充填材料的压实速度是伟大的;因此,压力梯度的变化可以在二次模式进行描述。煤矸石在同样大小的范围内,渗透率与轴向载荷增加稳步下降。具体而言,渗透率仍然之间和在4 ~ 10 MPa的轴向载荷。

接下来,它可以观察之间的拟合曲线和非达西渗透系数可以是正面的还是负面的,随着不断增加的绝对值的范围 。非达西系数更倾向于为小型煤矸石是积极的。随着粒径的增加,非达西系数是负的。因为小型煤矸石的压实程度高,增加流动缓慢的增加液压压力梯度。大型煤矸石显示压实程度低,毛孔是伟大的和新形成渗流通道很容易增加液压压力,从而产生巨大的渗流速度。实验后,从身体的底部填充图片拍摄,图片显示在图11。

如图11,小型煤矸石被紧紧压缩加载后,伴随着更多的孔隙分布均匀。相比之下,大型煤矸石显示加载后压实效果差,伴随着非均匀孔隙分布。也可以在卸货过程中发现,煤矸石在上部小但在下部是伟大的。此外,降低煤矸石的破碎程度很低。接下来,应该低于渗透率和非达西因素应该上面从而达到良好的防水性能。

5。讨论

如上所述,煤矸石的粒子大小的影响渗透流量和渗透率参数在不同的轴向载荷和液压压力在深度检查。接下来,大小不同的渗流规则脉石(0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米,和15 ~ 20毫米)在轴向载荷下6 MPa和液压4 MPa模拟获得深入的知识粒度对渗流的影响行为。同时,位移的变化,孔隙度、渗透率和流速的不同大小的煤矸石和液压渗漏过程模拟。详细的仿真过程描述如下。

根据目前的仿真结果,在轴向载荷下的6 MPa和液压4 MPa,等效杨氏模量和泊松比的充填煤矸石的尺寸范围0 ~ 5毫米等于0.6的绩点,15日分别。

当轴向载荷和液压被固定在一个6 MPa和4 MPa,等效杨氏模量和泊松比的充填煤矸石5 ~ 10毫米的尺寸范围在这个仿真等于0.5绩点和16个,分别。云计算图表的位移的变化,孔隙度、渗透率、流动速度,和液压压力和粒径条件下绘制,如图12。

煤矸石的尺寸范围为10 ~ 15毫米,当轴向载荷和液压被固定在一个6 MPa和4 MPa,等效杨氏模量和泊松比是0.7绩点和26.5,分别。COMSOL仿真结果的基础上,云计算图表的位移的变化,孔隙度、渗透率、流动速度,和液压压力和粒径条件下绘制,如图13。

同样,仿真进行了煤矸石的尺寸范围15 ~ 20毫米的轴向载荷6 MPa和液压4 MPa。根据仿真结果,等效杨氏模量和泊松比等于0.75绩点和28岁的分别。图14反映了位移的变化,孔隙度、渗透率、流动速度,和液压在渗流过程中煤矸石的尺寸范围15 ~ 20毫米。

如数据所示14- - - - - -15少,更大的煤矸石颗粒大小进行了位移。煤矸石的位移的粒径范围5 ~ 10毫米最大达到84.8毫米,而煤矸石的位移在其他尺寸范围是63毫米,75.22毫米,分别和75.9。在相同的轴向载荷,粒径较大的煤矸石的孔隙度大。煤矸石的孔隙度与粒度范围的15 ~ 20毫米是最大的,伴随着最大的渗透率。因此,液压的分布在煤矸石大更均匀。仿真结果与COMSOL软件很适合数据在渗流实验,验证本实验的可靠性。

图16比较了实验测定疏密度、渗透率和煤矸石的渗流速度大小不同的数值模拟数据。

显然,渗流速度曲线之间的实验和仿真结果表明更高的比其他两条曲线重合。此外,孔隙度、渗透率和煤矸石的渗流速度与粒径增加逐渐增加。

6。结论

本研究实验研究了煤矸石的基本物理力学性质和粒径的影响渗透流量和渗透率参数在不同大小的煤矸石在不同的轴向载荷和液压压力和流量的变化透露与轴向载荷和液压煤矸石在同样大小的范围内。最后,粒子大小的影响的渗流规律煤矸石通过COMSOL总结为验证数值模拟的可靠性实验。可以得出以下结论。(1)首先,一些基本的物理和力学性能测定体积填充材料。大部分充填煤矸石在自然条件下的密度为2.08克/厘米³;浸泡后,饱和密度改变为2.12克/厘米³。充填煤矸石的堆积密度与不同大小范围(0 ~ 5毫米,5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米,和15 ~ 20毫米)是1.475克/厘米³,1.409克/厘米³,1.398克/厘米³和1.395克/厘米³,分别。同时,充填煤矸石具有不同的大小范围的初始峰值分别为0.34,0.42,0.43,和0.47,分别。上面的基本物理力学性质分析煤矸石可以提供洞察力的参考后调查的基本物理力学行为在渗水填充材料(2)煤矸石的粒子大小的影响渗水排放和渗透率参数在不同的轴向载荷和液压压力也在实验室里研究。考虑到大部分充填煤矸石是一种不连续的媒体,大部分充填材料逐渐压实下轴向载荷增加,伴随着内部渗流通道的变化。与此同时,随着液压稳步增长,调水渠道大部分充填材料增加,也增加了水渗透流量。在不同的轴向载荷和液压、水的渗流轨迹在大部分充填材料改变,为研究提供参考的渗流特征与不同大小批量填充材料(3)最后,颗粒大小的影响水渗流行为与COMSOL数值模拟软件模拟。煤矸石的渗流行为可以表现为位移、孔隙度和渗透率煤矸石的水流速和液压。煤矸石的尺寸范围为5 ~ 10毫米,煤矸石的位移达到最大84.8毫米;此外,液压压力分布更加均匀粒径增加,伴随着一个稳定提高煤矸石的孔隙度和渗透率。数值模拟结果与COMSOL很适合目前的实验数据,验证渗流实验的可靠性

数据可用性

最新的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者都没有任何的利益冲突。

确认

这项研究是由江苏省研究生创新研究与实践项目(KYCX21_2338)。