文摘

水沙两相渗流的粗骨折是一种引发矿井突水灾害的主要因素。基于渗流力学理论,水沙两相渗流的力学模型建立了粗骨折。还开发了一个试验系统,研究在不同条件下的渗流特征。之间的关系压力梯度与渗流速度的绝对值在测试过程中进行了分析。的非线性特征渗透测试了。此外,压力梯度的绝对值变化规律与砂体积分数和砂粒径是说明,相关的压力损失在粒子运动。沙体积分数和砂的影响等效流动和颗粒大小 - - - - - -非达西流系数进行了讨论和分析。这是确定当地的动荡的主要原因的变化非线性渗流参数的变化特征。

1。介绍

突水是影响煤矿安全生产的重大灾害之一。它会导致的直接成本在中国每年数百亿元。因此,找到明确的突水灾害具有重要意义机制和有效控制建设绿色矿山的灾难在中国(1,2]。水沙两相流中骨折是矿井突水灾害的前兆。它的关键是研究水沙混合的渗流特征揭示了矿井突水机制。

裂缝的形成渠道和渗流的水沙混合是矿井突水灾害的两个核心因素。围岩变形引起的裂缝通道在道路驾驶和开采的工作面3- - - - - -5]。表面的断裂通常是粗的。水沙混合主要存在于旧屋顶或[水资源丰富的地区6,7]。水沙混合的内容主要是水、沙子和内容不太在中国东部,而厚砂层通常存在以上煤层位于中国的西北地区。完整的渠道渗透骨折后将形成上覆岩层失败(8]。然后,上覆厚土地层将流向骨折以及水,从而触发和砂侵入灾害。许多学者采用数值计算方法,揭示了水沙两相流的完整过程,他们采用了软件,如ANSYS、FLAC, PFC, COMSOL,研究渗流场和应力场9- - - - - -12]。然而,数值计算结果为实际工程指导价值有限,由于不准确的力学参数和简化模型。因此,学者们试图找到更科学的方法来研究水沙两相渗流力学问题。

检测设备的限制,水沙两相渗流实验了水和预制平行裂缝为研究对象13]。测试设备的发展和信号采集系统,水沙两相渗流实验粗骨折进行了一系列的研究结果(14- - - - - -16]。基于大量的研究水沙粗裂缝渗流过程,学者主要研究渗流特性影响因素,包括断口粗糙度、孔径断裂,含沙量,砂颗粒大小(17- - - - - -21]。然而,当前研究裂缝渗流主要集中在单液渗流场,很少涉及固液两相流在骨折22,23]。当粒子浓度相对较低,粒子不能被视为似流体和间期的力量是不容忽视的。在点,水沙运输可以作为双流体渗流和单液渗漏。对粒子的研究阶段和连续相流动骨折是罕见的。

目前,很少研究涉及到固液两相流在骨折。摘要水沙两相渗流的力学模型建立了粗骨折根据渗流力学理论。测试系统建立了模拟水沙两相渗流在粗骨折。然后,机械测试是由使用预制粗骨折标本。水沙两相渗流系统特点和影响因素进行了研究。测试结果旨在揭示了水和沉积物侵入机制和涌水沙灾害预测和控制提供参考。

2。实验原理及介绍

2.1。制备粗骨折标本

天然岩石标本通常用于获取裂隙表面流体流动实验骨折骨折分裂。获得骨折相对接近实际的骨折但不能用于描述几何特征和构造数值模型。同时,自然岩石的成分很复杂,很容易导致一个水溶性的现象发生,从而影响实验结果。在此基础上,镍铬合金(06 cr19ni10 GB / T 20878 - 2007)被用来使粗骨折标本在这个实验中。图1显示骨折标本的大小。高度( )100毫米,直径( )是 。预测裂缝表面的纵向截面连续和均匀分布的等腰三角形。三角形的高度( )是1米。两个裂缝表面之间的距离( )是2毫米。裂隙孔( )是0.8毫米。两个裂缝之间的裂缝是网状的表面。水和石英砂是用作液相和固相,分别为实验。

2.2。实验原理和测试系统的建立

水和沉积物属于固液两相混合物。骨折的水流和泥沙是复杂的湍流。本文利用广义flow-seepage简化实际水流和泥沙。以方向平行于裂纹长度为轴和裂纹方向的光圈轴坐标系统建立了根据右手控制规则,如图1。

在实际流动,水流速的分布 ,砂流量 ,液压 ,和泥沙浓度(体积分数 )是统一的。这是因为断裂表面有水和沉积物单边约束。

在渗流力学,流动速度的正态分布沿裂缝骨折通常不被认为是表面,渗流速度(平均渗流速度沿着裂缝宽度方向)是用来取代渗透速度。水相渗流速度是标记为 ,沙相渗流速度是标记为 ,和两个裂缝表面之间的距离被标记为 ;然后,可以获得以下方程。

在哪里是当地的坐标。之间的转换关系和给出如下:

在哪里的坐标 ,之间的交点降低裂缝表面和截面。

如数据所示1和2,渗流速度和一维少于实际的流动速度和 。为了便于分析,物理量是假定为常数的方向 。因此,实际的流动速度和是二维的,而渗流速度和是一维的,也就是说,

在渗流实验中,流动速度分布的方向不可用,所以在裂缝流速度测量。实验现象和水沙流法律解释和分析了渗流力学的观点和理论。

在两个平行的裂缝的渗流水和沉积物表面,水是牛顿流体,而沉积物非牛顿流体。多段线所产生的裂缝表面是曲面的翻译。

基向量的坐标系统 ;然后,渗流速度 和 。水流和泥沙流之和在裂缝可以通过以下方程:

在哪里水的体积分数和吗是沉积物的体积分数。由于

方程(8)可以转化成

因此,水沙混合的渗流速度可以获得的

实现精确测量流量的裂缝,下面的水沙流边界条件应该满足。

在这个实验中, 被设置为封闭边界没有传质。

实现方程的边界条件(12)和(13),高水密封材料使用在两个标本表面裂缝。安排了一个刚架在高水材料,如图2(一个)。流体的渗流速度是平行的轴,如图2 (b)。

根据原理图2,水沙在裂缝渗流测试系统设计,如图3。系统由一个搅拌系统(在图3),一个水沙运输系统(b和d图3),自主研发的渗透仪(c图3)和一个控制面板(e图3)。图4显示渗透仪的安装方法和标本。手动控制是用于裂缝表面之间的相对位置。首先,标本在汽缸密封管。一个0.8毫米铜线放置在裂缝表面以及双方的标本。高水材料填充标本和气缸之间的管。

2.3。特征参数的计算方法

水沙混合流在粗裂缝属于典型的非达西流。在实验中,流动性和 - - - - - -非达西流系数被选作为特征参数。

pipe-segment ABC的内径 ,和平均流速可以通过

裂缝的渗流速度可以计算

线性损失和局部损失的前提是被忽视的,伯努利方程给出了如下:

在哪里 , ,和是水沙混合物的密度,水和沙子,分别和 。 重力加速度。是裂缝入口处的压力。是点之间的高度差和中间的裂缝表面(1.1在这个系统)。方程(16)可以用来获得的压力在入口处的骨折。

骨折开放的出口,所以压力是约等于零。然后,水沙混合物的平均压力梯度给出了:

也就是说,压力梯度的绝对值可以计算出

水沙混合物被视为幂律液体。力量指数被标记为 。然后,在稳态流,相当于流动性 , - - - - - -因素的非达西渗流速度 ,和压力梯度的绝对值能满足以下关系:

考虑 ,方程(19)可以简化为

根据方程(18),方程(21能获得)。

通过引入的符号和 ,方程(22能获得)。

然后,方程(21)可以转化成

在这个实验中,四组的螺杆泵转速设置。入口处的流量和压力和 ,分别。相应的渗流速度和压力梯度的绝对值 , 。

功能是构造如下:

的最小值 ,方程(25能获得)。

方程解(25)计算如下:

利用方程(22),相当于流动性和 - - - - - -非达西流系数可以得到如下:

2.4。测试方案和方法

在这个实验中,沉积物粒度和沉积物体积分数(浓度)被选为变量,研究水沙两相渗流特征粗骨折。有三组 ,0.02 - -0.06毫米,0.06 - -0.10毫米,0.10 - -0.14毫米。值被分成五组,0%,1.02%,2.07%,3.04%,4.06%。

整个过程如下:(我)第一步是把水倒进搅拌池的内径 。水的深度 。然后,水的体积 。测试所需的沉积物体积可以根据转换 ,也就是说,

根据密度的沙子,沙子的质量可以计算如下:

用方程(29日)方程(30.),方程(31日能获得)。 (2)第二步是打开电机驱动搅拌叶轮,使砂颗粒和水混合在一起。经过一段时间的搅拌,螺杆泵开始提取水沙混合物。沙浓度(体积分数)测量。如果有一个很大的区别和 ,一只手泵被用来提升容器。在这一点上,砂浓度又会被测量。之间的相对误差和不超过5%,处理换向阀的手动泵放置在中间位置停止双作用液压缸的运动(3)螺旋泵是由一个软管连接到渗透仪形成渗透通道。与搅拌池的渗透仪连接形成一个回流通道(iv)变频调速(可变电压和变频)被用来调整螺杆泵转速 。所显示的实时流量和压力无纸记录仪被观察到。成为稳定的流量和压力后,流和压力管道记录(v)螺旋泵转动速度进行调整 , ,和 ,和相应的流 和压力 记录(vi)螺杆泵是关闭,被改变了。步骤(1)(v)重复(七)螺杆泵是关闭,被改变了。步骤(1)(vi)重复(八)根据以上步骤,水沙渗流测试完成了三组不同粒径的沉积物和五组沉积物不同体积分数。渗透测试进行了裂缝宽度为0.8毫米,0.02 - -0.06毫米,的4.06%。图5显示了pressure-time曲线和流动时间曲线。它可以看到,当螺杆泵转速变得稳定,水沙混合物的体积流量略有改变,平均值是相对稳定。这表明,断裂阻力对螺杆泵位移影响很小

3所示。水沙两相渗流的压力梯度变化特征在粗骨折

3.1。水沙两相渗流的非线性特征

图6显示了压力梯度的绝对值的变化曲线水沙混合物的流速在粗不同砂粒径下骨折和砂浓度 。作为增加,逐渐增加。之间存在显著的非线性关系和 ,证明水沙两相渗流在骨折标本属于典型的非达西流。

3.2。压力梯度的变化规律与沙体积分数

图7显示了压力梯度变化曲线沙体积分数在各种螺杆泵旋转速度 。当200 r / min和400 r / min,变化曲线相似的特征。当600 r / min和800 r / min,曲线变化的特点。

在数据7(一)和7 (b),在低旋转速度和三种砂粒径、的绝对值先增加,然后下降,增加砂粒子体积分数的变化 。当 和 ,单调的间隔 - - - - - - 曲线是一致的。当 ,单调区间发生了重大的变化,呈现整个曲线向右移。比较两组曲线表明,当 ,三组 - - - - - - 曲线显示整体上升趋势,而与 ,他们表现出水平波动。

在数据7 (c)和7 (d),在高旋转速度和三种砂颗粒大小,的变化与首先降低,然后增加,显示整体下降的趋势。

比较每组曲线表明,曲线的压力梯度绝对值和沙粒子体积分数有多单调性。当流速很低时,沙运动增加骨折的水沙流的压力损失。随着流速的增加,压力损失也降低了。

3.3。压力梯度的变化规律与沙颗粒大小

水沙混合,砂粒径会影响压力梯度。图8给出了变化规律与在不同的条件下。

在图8(一个),200 r / min和各种 ,的绝对值与的增加先增加,然后降低 ,显示整体上升趋势,极端点的不同位置 。较两组曲线值的1.02%和2.07%,曲线的最大值3.04%和4.06%的转向右边。当增加到400 r / min在图8 (b), - - - - - - 在四种曲线有明显差异 ,显示水平波动。

作为增加到600 r / min在图8 (c)两种曲线的变化趋势1.02%和2.07%的相对一致。先降低,然后增加而增加 。当分别为3.04%和4.06%,减少增加 。当 ,低的变化特征与当曲线基本上是相同的 。也就是说,在低 , 先降低,然后增加而增加 ,而在高 , 减少逐渐增加 。

总的来说,沙粒径的变化可以显著改变压力梯度的特点。与此同时,泵的转速的变化和砂浓度也会影响压力梯度。当流速很低,粒度大,粒子运动引起的压力损失。随着流速的增加,压力损失变得逐渐疲软。

4所示。涉及的参数变化特征在粗水沙两相渗流骨折

基于实验结果和计算,相当于流动性和 - - - - - -非达西流系数得到在不同粒子尺寸和沙体积分数 ,如表所示1。

4.1。渗流参数的变化规律与沙体积分数

根据表中的数据1等效的变化曲线和 - - - - - -因素的非达西流砂体积分数下得到三种粒子大小,如图9。

图9表明,变异规律和 - - - - - -非达西流系数基本上是一样的,证明这两个因素可以表示相同的渗流特征。与0.02至0.06毫米,增加,和 - - - - - -因素显示总体下降的趋势。当从1.02%上升到2.07%,显示一个小的增加,而 - - - - - -因素是基本持平。当从3.04%上升到4.06%,和 - - - - - -因素基本上是不变的。当从2.07%上升到3.04%,和 - - - - - -的因素下降了超过60%。当 ~ 0.10毫米,和 - - - - - -因素增加 ,表现出先下降然后上升的趋势。当 ~ 0.14毫米,和 - - - - - -因素的增加迅速下降 。

4.2。渗流参数的变化规律与沙颗粒大小

基于实验结果,变化规律和 - - - - - -因素得到,如图10。

图10表明变异规律和 - - - - - -因素基本上是相同的。当 ,2.07%,3.04%,和 - - - - - -系数先降低,然后增加而增加 。当 , 增加而增加和增加逐渐变得缓慢, - - - - - -因素的整体幅度先增加然后减少,变化不明显。

4.3。分析和讨论

在渗流力学,相当于流动性指流和横截面积的比值。它是用来代表混合物的渗透能力。值越大,渗透能力越强。 - - - - - -非达西流系数是用来表示非线性渗流的特点在骨折。值越大,越明显的非线性特征。与水相渗流量相比,砂颗粒大小和砂浓度(体积分数)是重要的影响因素中的水沙流骨折,已见实验。

在固定的混合物中各种砂颗粒大小、砂体积分数越高,越窄的整体透水通道断裂和裂缝的渗透率越低,导致较小的等价的流动性 。同时,狭窄的渗透渠道减少了非线性渗流特征,宏观上表现为下降 - - - - - -非达西流系数,如图9(一个)和9 (c)。然而,引人注目的固液两相渗流特征时存在水沙混合通过狭窄的通道,导致显著的非线性渗流参数在特定条件下的变化。如图9 (b),当 固液两相渗流~ 0.10毫米,可能导致湍流发生在当地的渠道,随着砂体积分数从2.07%上升到3.04%,导致变异法渗流参数的突然变化。

沙体积分数时固定在水沙混合,砂颗粒大小的变化可能会导致不确定的非线性渗流特征的渗流过程。粒径的增加首先缩小了当地透水通道,削弱了整个裂缝渗流能力,降低了介质的非线性渗流特征。随着粒度进一步的增加,水沙混合的整体迁移能力增加。的总体影响能力槽形截面上的混合增强。相当于砂岩的流动性大。与此同时,当地的动荡可能会发现周围的粒子,导致等效流动性的增加骨折和渠道 - - - - - -非达西流系数。流程如图10 ()- - - - - -10 (c)。当水沙混合物的体积分数达到一定水平,粒子的影响集群组成的微粒和总体上的大容量颗粒渗流特征基本不变;的变化特征和 - - - - - -非达西流系数也不明显,如图10 (d)。

5。主要结论

进一步阐明煤矿突水灾害的机理,本文进行了一项实验,研究水沙两相渗流的力学特性在预制粗骨折。骨折的水沙渗流的非线性特征系统地进行了研究,并详细分析了影响因素。主要研究结论如下:(我)基于渗流力学理论,原理的公式推导水沙两相渗流的骨折。建立了力学模型。系统是进行水沙渗漏测试,开发和特性参数测定和分析(2)法律变化绝对值的压力梯度与渗流速度在不同条件下进行了系统地分析。非线性关系被澄清。在此基础上,确定水沙两相渗流测试是一个典型的非达西流动实验(3)沙体积分数的影响和砂粒径的压力梯度的绝对值是显著的。当粒子大小是固定和泵转速慢,压力梯度先增加,然后下降,增加了再次与砂体积分数的变化。泵转速高时,压力梯度降低,然后增加。沙体积分数固定时,压力梯度的绝对值变化从第一增加然后减少先降低,然后增加,泵的速度从高到低。这是有关沙粒子运动引起的压力损失(iv)水的渗流过程中渗流在骨折,相当于流动性的变化特点和 - - - - - -非达西流系数与砂体积分数和砂粒径基本上是相同的。当粒子大小是固定的,与沙体积分数越高,两者兼而有之和 - - - - - -因子降低。当 ~ 0.10毫米,他们首先降低,然后增加。沙体积分数固定时,他们首先降低,然后增加砂粒径的增加。沙体积分数相对较高的时候,他们发生了微妙的变化

数据可用性

使用的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。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号52074240)。