文摘

用一个废弃的煤矿地下采空区作为水库已成功申请在中国西部水资源保护我。水储存媒体组成的破碎岩体,岩体之间的空隙。储层产能的关键计算,变形特征和渗流三轴应力下的水储存媒体的进化理论。在这项研究中,破碎岩体,岩体之间的空间在一系列简化为两个弹簧。破碎岩体的力学行为是由胡克定律描述的线性弹性,和之间的空间变形特性的岩体是由非线性弹性本构模型。水存储介质的非线性应力-应变本构模型相结合建立了胡克定律和分数阶导数应力-应变模型。类似地,非达西渗流模型的水存储介质。由机械实验,验证了非线性应力-应变模型物理模拟测试,和实地测量数据和参数进行灵敏度分析。非达西渗流方程拟合和分析利用破碎岩体的渗流实验数据在三轴压缩条件下。部分非达西模型而不是Forchheimer方程可以更准确地描述非线性渗流过程水存储媒体。

1。介绍

中国西部有大量的煤炭资源储备,浅埋煤层和相对简单的地质和水文条件。经过30多年的应用在中国西部矿区煤炭开采技术,现代完全机械化采煤技术的特点是安全,效率,和高回收率的发展,这项技术提供了中国煤炭供应的重要保障。地理上,这一地区位于干旱和半干旱地区大气降水减少,导致水资源缺乏等问题,严重的水土流失,土地荒漠化。由于地下水资源短缺和生态环境脆弱,煤炭开采导致地表的生态破坏和大量的矿井排水,加强煤炭资源发展中存在的问题,同时保护地下水资源和生态的表面1- - - - - -3]。解决难题的地下水保护在中国西部煤炭开采期间,中国已经成功地开发了矿井水保护的技术在煤矿地下水库(URCM)如图1。这种技术使用了煤炭开采形成的采空区岩体缺口连接不连续煤柱的人造大坝形成水库大坝;这形成了一个相对封闭的水存储空间。同时,矿井水注入设施和取水设施也被建造,充分利用自然净化的影响采空区岩体对实现矿井水储存和矿井水利用率(4,5]。

煤层开采后,上覆地层弯曲、断裂和采空区坍塌。破裂带、断裂带和弯曲下沉带划分地层的垂直运动。URCM的储水空间由破裂区和断裂区。作为URCM的水储存媒体,破碎岩体的变形特性影响岩体的强度和岩石粒度。在相同的压力下,岩体的强度高,变形越小,小的应变增长率粒径较大的岩石在加载的初始阶段。随着应力的增加,岩石的应变增长率样品与大粒径小于岩石的样本用小粒径(6];此外,压力作用于岩体破碎的影响上覆地层的结构。岩体的水储存在一个煤矿的地下水库是压缩和变形的作用下开采压力,和它的应力-应变曲线呈现非线性特征。传统的本构方程不能准确反映其变化。

在采空区破裂岩体的主要结构不仅是地下水库的蓄水煤矿矿井水渗流的主要通道。采空区的存在很难进行原位测试研究破碎的岩体。现有研究主要是间接研究采空区的压力分布和破碎岩体的应力-应变特征通过理论假设或机械实验。很难描述采空区的应力分布的岩体由一个统一的方法由于原岩应力场的变化和各种破碎的岩体结构的存在7,8]。拉伸应力集中区域通常是形成采空区的边界(7]。从边界到中心采空区的应力分布可以分为应力集中区域,压力放松区、稳定的应力区(8]。破碎岩体可以认为是大量岩体累积不同的尺度。实验表明,破裂岩体的应力-应变曲线表明强烈的非线性,和应力-应变方程可以安装到一个四阶多项式函数(9),萨拉蒙填充方程(10],双曲函数(11]。破碎岩体的压实特性变化由于不同岩性、块大小,和水浸条件(12- - - - - -14]。例如,软岩经过破碎的渐进压缩阶段→压缩→recrushing→recompaction [12]。屋顶砂岩和砂质泥岩的压实特性显示明显的分割在鑫安煤矿在饱和水的条件下,中国Yima的城市。此外,膨胀系数的增加与岩体的规模放大(13)和遵循负指数的变化与压力(14]。基于在采空区破裂岩体的应力应变特征,一个经验公式之间的关系可以建立压力恢复和地面沉降,这基本上符合指数函数关系(15- - - - - -17]。破碎岩体的应力-应变关系主要集中在定性分析压实法和拟合方程从实验数据获得。然而,理论研究破碎岩体的应力-应变本构模型是迫切需要的。

作为一个松散的材料没有凝聚力,破碎岩体的渗透性显然是不同于多孔介质包含孔隙和裂缝18]。一些学者进行了大量的水的渗流特征的详细研究煤、煤矸石、泥岩、灰岩、砂岩、页岩和其他破碎岩体通过开发一个破碎的岩体渗流装置与MTS试验机(18- - - - - -22]。结果表明,岩性、粒度和轴向应力影响渗透率的变化。轴向应力的增加使得孔隙比减少,导致渗流通道的数量减少和裂隙岩体的渗透性。粒径越大,就越容易被压实,渗透率和孔隙度变化越大,相同的轴向压缩。当流体压力很大时,岩体渗流礼物non-Darcy-Forchheimer流。

矿井水是存储在空间破碎岩体中地下水库(23]。应力-应变本构模型已成为基础是否存储容量的演变在水中或矿井水的流动特性存储媒体。虽然许多学者进行了大量的机械破碎岩体,实验应力-应变本构模型尚未提出理论上。此外,Forchheimer方程主要用于破碎岩体的水流,及其适用性水存储介质的渗流特点URCM仍然需要研究。摘要水储存媒体URCM作为一个整体和简化为两个系列弹簧。基于分数微积分理论,非线性应力-应变本构模型,提出了部分非达西渗流方程,验证了实验数据。

2。水的形态进化存储媒体

煤矿含煤地层应力场的变化,导致不同程度的扰动开采范围内的岩体(24]。煤炭开采后,大量采空区面积形成,骨折和采空区上覆地层发生崩溃。此外,结合保护煤柱和人工水坝,所有这些构成了地下水库在煤矿4]。建成岩体是一个完整的煤炭开采前的状态(如图2(一个))。完整岩石破坏后,在采空区坍塌和提供了一个宽松的状态(如图2 (b))。的压实覆岩体在重力作用下,水存储空间逐渐压缩(如图2 (c))。之前和之后发生的上覆地层煤矿图所示2。

地下水储存媒体的形态进化在煤矿可以使用描述岩体的应力状态和现有的形式。在数据2(一个)和2 (b),当岩体不是被煤矿,其初始压力在一个三维的不平等状态。由于煤炭的开采扰动的脸,岩体经过弹性状态和塑料状态直到失败矿业应力路径下,和它的应力-应变曲线如图3(一个)(25]。岩体逐渐从最初的完整状态发展到裂隙岩体有明显裂缝(见图3(一个)),从而成为一个部分的水储存媒体在煤矿的地下水库。在数据2 (b)和2 (c),地下水库的水存储介质是由破碎岩体,岩体之间的空隙。水储存媒体的松散堆积形成的早期阶段。当上覆岩体在重力的作用下,水储存媒体逐渐压缩和变形。围压取决于应力分布状态,和水存储介质的应力-应变曲线如图3 (b)(8,18]。水储存媒体本身有不连续和不完全性,和它的变形状态主要取决于孔隙和岩体之间的负载,这使得它在研究常规岩石力学的范围。

根据岩石力学理论,岩石的应力应变过程从应力、应变的“零点”postpeak衰竭阶段结束。根据破碎岩体的形态演化在煤矿地下水库(URCM),岩体的应力-应变曲线的定义可以扩展的整个生命周期上覆岩体之前,期间和之后开采煤层。岩体的应力-应变关系在整个生命周期过程可以被定义为从完整岩体的地应力状态和结束的recompaction破碎岩体初始应力状态的岩石。存储介质的应力-应变特征水URCM对应的recompaction阶段破碎岩体,如图2 (c)和3 (b)。

3所示。非线性应力-应变模型

3.1。部分应力-应变本构方程

URCM存储介质的水是由破碎岩体的积累。没有凝聚力的每个岩体接触,和大量的空洞形成。破碎岩体的变形特征明显不同于多孔和破碎岩体。当刘et al。26)的弹性变形特征研究多孔岩体(骨折)在压力下,他们提出了一系列弹簧模型来描述多孔的非线性弹性应力应变关系(骨折)岩体26]。从这个角度看,地下水储存媒体被认为是一种特殊的岩体孔隙和裂缝率高,孔隙和裂隙的孔隙,岩体接触是一种身体接触没有凝聚力。因此,地下水存储介质的变形特性在一个煤矿是简化和作了一些假设提出了应力-应变本构模型的水存储媒体。

假设水存储介质弹性变形三维应力作用下,变形由线性破碎岩体的弹性变形和非线性弹性变形岩体之间的差距。这两种媒体简化为两个不连续系列弹簧接触,和模型只能站压缩但不紧张,如图4。

水储存媒体的总应变URCM可以表示为 在哪里水的体积应变存储媒体,的体积应变破碎岩体地下水库,然后呢之间的体积应变破碎岩体的孔隙。

胡克定律是用来表达在线性弹性本构模型的应力-应变关系 在哪里压力和体积吗破碎岩体的体积弹性模量。

基于线性弹性胡克定律的微分形式的应力-应变本构关系之间的孔隙裂隙岩体可以扩展到非线性胡克定律不同梯度的非局部导数(27]: 在哪里表示孔隙体积弹性模量,水的非线性弹性影响系数存储媒体,然后呢 是卡普托分数微分算子,它被定义为(27]

对于一个给定的函数和 , 是最小的整数大于 。 是Riemann-Liouville部分积分算子,它被定义为(28] 在哪里伽马函数和吗 。此外,当 , 代表了整数阶微分算子。

将方程(5)方程(3),并考虑初始条件 ,方程的显式表达式(3)得到:

用方程(2)和(6)方程(1),水存储介质的应力-应变本构方程可以得到:

煤岩体的弹性本构关系通常可以采用相同的形式的本构方程29日]。来验证本构方程通过以上实验数据的准确性,轴向压缩变形的表达式和轴向应力的水储存媒体获得根据方程(7): 在哪里的轴向压缩应变水储存媒体,是轴向应力的水储存媒体,破碎岩体的弹性模量,然后呢的弹性模量是空洞。

3.2。模型验证

地下水存储介质的变形特征可以反映煤矿通过研究压实特性的采空区破裂岩体的煤矿。常用的实验包括机械的测试实验室小规模样本,相似材料物理模拟试验和现场监测压实变形倒塌的采空区岩体。

3.2.1之上。实验室实验

研究压实特性的影响破碎岩体的损伤程度的隔水层和煤炭开采后地表沉陷,苏et al。13]在鑫安煤矿典型岩体为对象,进行了压实变形实验的泥岩、砂质泥岩和砂岩岩石块大小不同。压碎岩样品的实验数据与一个大小为10 ~ 15毫米被选中的数据拟合分析方程(8)。拟合参数如表所示1拟合曲线如图5。纵坐标值表示为压应力的比值对完整岩石的单轴抗压强度样本归一化法。

根据曲线在图5变形特性的三种破碎岩石压实期间基本上是相似的,可以分为三个阶段:快速变形阶段、过渡阶段,缓慢变形阶段。在初始加载阶段的破碎的岩石样本,每个岩石块处于一个不稳定的积累状态,高自由度;岩石样品可以旋转和翻译容易在小应力梯度,导致大变形。随着应力的增加,岩石的块的接触面积增加和自由度减少,挤压变形和岩石块间发生的损害,以及岩石的凸区域块互相侵蚀和破坏,导致的变形速率的减少破碎的岩石样本。随着样品上的压力施加进一步的增加,岩石的块的接触面积逐渐增加,进一步自由度是有限的。这时,破碎岩体的变形主要是由岩石的变形块本身决定的。根据实验结果,完整岩石样品的抗压强度越大,变形越大的样本,粉碎膨胀系数越大完整岩体的失败后,和更大的存储空间。

3.2.2。物理模拟实验

研究岩石的破碎膨胀系数与压力的进化在采空区物理模拟测试,王et al。30.)再生的碎原型岩石样本的大小根据上覆地层和岩石样本进行了压实实验在干燥和饱和状态,分别。在实验中,压缩量的变化的应力破碎的样品进行了测试。在此基础上,在这项研究中,压应变的变化曲线(轴向应变)和压力计算和绘制,如图6。在干燥和饱和条件下,破碎岩体的应力-应变关系是非线性的,和压缩应变在初始阶段的压力迅速增加应用程序,和应变率显示一个下降的趋势。饱和样品的压缩变形大于自然样品在相同的应力状态。非线性应力-应变本构方程(8)和线性弹性本构方程(1)的水储存媒体提出了用于符合上述测试数据,和结果如图所示6。相关的模型参数如表所示1。

拟合结果如图6表明,地下水存储介质的非线性本构模型提出了可以描述破碎岩体的应力-应变关系和线性弹性胡克定律不能准确反映破碎岩体的非线性变形特性三维压力下。虽然饱和岩石样品的压实变形特性进行了测试实验,他们仍然不同裂隙岩体的压缩变形特性在水中浸泡很长时间在一个煤矿的地下水库。以上分析仅反映了破碎岩体的应力-应变规律在自然干燥状态和饱和条件下的水。

3.2.3。现场测量

因为隐藏的结构的一个煤矿的地下水库,很难衡量水存储介质的变形作用下的矿山压力。基于地表沉陷的测量数据,从中吸取et al。16]理论上获得之间的关系屈服了岩体的变形和压力恢复,如图7。方程(8)用于适应岩体屈服变形数据;屈服应力-应变曲线的采空区岩体是获得(图7),相关参数如表所示1。根据拟合的数据表1方程(8)可以更好地表达的进化倒塌岩体的变形以及采空区的应力。

3.3。参数敏感性分析

3.3.1。岩体的弹性模量的影响

根据拟合结果的地下水存储介质的本构模型的煤矿和指干燥砂岩样品的实验数据在文献[30.),参数 MPa, 被替换的应力-应变本构方程(8)。通过改变岩石的弹性模量的值块在水里存储媒体(5500、6000、6500、7000和7500 MPa,分别),一组不同弹性模量条件下应力-应变曲线(图获得的8)。可以看出,岩石破碎块的体积模量的地下水库几乎没有影响水存储介质的应力-应变曲线的形状(图8(一个))。清晰地反映了影响岩石的块的弹性模量的应力和应变水储存媒体,块岩石的应变比水储存媒体的应变是水平轴应力-应变曲线(图8 (b))。结果表明,岩体的弹性模量越大,岩体的应变越小。岩体的应变之间的区别和整体应变是4数量级,这表明岩体的应变的变形可以忽略水存储媒体。

3.3.2。孔隙弹性模量对水储存媒体的影响

根据应力-应变本构方程的参数拟合结果的自然样本表1的条件下,保持参数 MPa, 不变,水存储介质的孔隙弹性模量改变了50,70,90,110,和130 MPa,分别;然后,得到了应力-应变曲线在不同孔隙弹性模量(图9)。可以看出,孔隙弹性模量是一个重要的影响因素对应力-应变水储存媒体的进化。孔隙弹性模量越大,越小压应变值在相同的应力状态下,和更稳定的包装形状水存储媒体。

3.3.3。参数的影响

保持块岩石的弹性模量和孔隙弹性模量不变( MPa和 MPa),只有改变水存储介质的非线性弹性影响系数为2.2,2.4,2.6,2.8,和3.0,分别在不同的非线性应力-应变曲线的变化弹性系数的水储存媒体获得(图10)。非线性弹性影响系数的增加,压缩应变和应力-应变曲线的非线性范围也增加,表明非线性弹性影响系数并不能改变应力应变的单调性,但会影响应力-应变曲线的曲率。

可以看出,主要参数影响的应力-应变曲线地下水库的水储存媒体块岩石弹性模量、孔隙弹性模量和非线性弹性系数的影响。岩石的弹性模量块最不影响水的应力-应变曲线存储介质和本构模型的基本参数。孔隙弹性模量直接决定了水储存媒体的应变水平和应变与应力的变化速率。非线性弹性系数主要影响范围确定的非线性阶段水存储介质的应力-应变曲线。孔隙弹性模量受许多因素影响,如岩石的块大小,形状,积累状态,接触面积。非线性弹性影响系数主要反映了破碎岩石的膨胀特性,定量描述的碎片膨胀系数(15]。本构方程由上述三个基本参数可以准确地描述应力-应变关系的煤矿地下水存储媒体。

4所示。非达西渗流模型

4.1。非达西渗流方程与分数阶导数

URCM存储介质的水主要是由倒塌破碎岩体的积累。矿井水流动在岩体中的空白,如图11(23]。与粘性力相比,流体惯性力是占主导地位,导致高速非达西渗流的水存储媒体。

达西定律的微分形式 在哪里矿井水的渗流速度在水储存媒体,水力梯度,水的渗透系数存储媒体。

类似于方程(3),方程(9)扩展到非达西渗流方程基于分数阶导数: 在哪里是非线性达西渗流影响因素。使用的解决方案过程方程(6),获得非达西渗流的分析解决方案:

当 ,方程(11达西)演变成一场经典方程,说明达西定律的一种特殊形式的非达西渗流模型。

4.2。非达西渗流模型的参数确定

藏et al。22)进行了渗流实验与不同粒径解决破碎砂岩突水问题在屋顶上;他们获得的渗流特征的进化破碎砂岩三轴应力下,发现在破碎砂岩水的渗流不符合达西定律。在这项研究中,渗流实验数据与混合破碎砂岩粒径(5 ~ 10毫米,10 ~ 15毫米)的文学选择和非线性最小二乘拟合方法实现基于部分非达西渗流模型方程(11)。获得的模型参数如表所示2。拟合曲线如图12。拟合分析结果表2和图12表明,部分非达西模型匹配的实验数据,验证部分非达西模型而不是Forchheimer方程可以更准确地描述非线性渗流过程。

5。结论

(1)URCM水储存媒体的形态演化进行了分析,以及整个生命周期的应力-应变关系的岩石。在岩体应力-应变演化的整个生命周期中从完整岩体的初始应力状态和结束时破碎的岩体原岩应力重塑(2)URCM存储介质的水是由破碎岩体,岩体之间的空隙;媒体被浓缩成两个系列弹簧组成的力学模型。非线性弹性应力-应变本构方程进一步推导出基于胡克的方程(3)非线性弹性本构模型的合理性验证了实验室实验,物理模拟和现场监测数据的水在URCM存储媒体。结果表明,孔隙弹性模量和非线性弹性系数对应力-应变曲线有很大的影响(4)很明显,矿井水的流动在地下水库属于高速非达西渗流。根据达西定律和分数微积分,水的渗流模型存储媒体了。实验数据表明,该模型能够准确地描述矿井水的流动状态在水中存储媒体

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

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

目前的工作是支持国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用的煤炭开采(批准号shjt - 17 - 42.1),主要项目的试点项目的中国能源投资公司(。)(gjny2030xdxm - 19 - 01.2),和中国神华科技创新工程有限公司有限公司(SHGF-16-19)。金融支持。