文摘

在工作面突水造成的不稳定渗流的断层破裂带是一个大灾难,威胁着煤矿的安全生产。根据流体力学的原理,建立了非线性力学模型和三个流场。结合实际情况,在一个煤矿断层破裂带,multicoupled数值模型是建立在COMSOL多重物理量,为了研究水压力和流速三个流场和蓄水层中流体的流动状态和故障在不同比率断层渗透率和含水层的渗透性。渗透率的研究结果表明,断层破裂带是一个重要的因素影响突水的危险,和边界的压力和流速区附近流场的显著变化。另外,断层破碎带突水是一个渐进的动态过程,并通过断层含水层的流体流动逐渐从一个线性流动状态变化到非线性流状态。与此同时,非达西效应增加和减少增长和降低渗透性的断层破裂带。

1。介绍

断层破裂带是岩溶地区的地质工程类型之一在中国。断层破裂带是一个煤矿突水灾害的主要原因,构成严重威胁煤矿安全生产的(1,2]。断层破裂带在突水的影响有三个主要方面,即缩短煤层之间的距离和含水的接缝,良好的渗透系数和蓄水,降低岩石的强度破坏接缝的断层结构(3,4]。因此,当巷道穿过断层带,断层受开采扰动影响,地下水渗流迁移,它直接诱发突水灾害。的理论意义和实际工程价值模拟突水过程中断层破裂带的突水机理和研究预测和安全预防煤矿突水。

许多学者进行了广泛的研究,从断层突水灾害的问题过程中遇到煤层开挖。根据断层的性质,李et al。5)故障分为开放和封闭的斑点和研究机制突然水两种类型的责任。刘和胡6)建立了煤矿在压水flow-solid耦合数学模型,进行了数值模拟,分析每个故障元素之间的关系和突然的水,并给突然水标准。李等人。7)复制的过程中形成的通道包含断层的煤层地板通过数值模拟基于物理属性的责任。他们得出的结论是,被申请人的物理性质和义务的产生有重要影响煤层的安全层。李等人。8)建立了关键层的激活模型包含水屏障,从理论上分析了断层活化滑移条件下矿物的作用压力和水压力,研究了断层活化向斜机制,获得了断层活化条件的共同努力下矿物压力和水压力。上述研究主要集中在生产故障和故障的物理性质。此外,许多学者也进行了理论分析和数值模拟研究断层向斜问题从流体力学的角度来看,在流体进入含水层的错,这是一个非线性渗流过程。渗透迁移效应下,填充粒子在现场不断丢失,导致断层渗透率和孔隙度不断增加。开挖扰动后,流体突破断层和煤层边界和进退两难的煤层(流体突破工作面煤层),和向斜的灾难发生9- - - - - -11]。

基于一个坚实的工程背景,本文将流体流动划分为三个阶段从流体力学的角度来看。即含水层层流阶段、非线性渗流阶段岩溶的错,道路平坦和湍流阶段工作面和流动状态的三个步骤介绍了有限元软件COMSOL多重物理量用达西定律,Forchheimer修改Brinkman方程,分别和navier - stokes方程。六岩溶断层和含水层渗透性ratio-working条件设置,并进行数值模拟的研究来揭示Darcy-Brinkman-NS multifield耦合非线性渗流机制向斜岩溶故障。

2。三个流场的非线性力学模型

建立了三个流场的非线性渗流模型满足以下基本假设:地下含水层之间的断层和隧道的工作表面不透水和作为唯一对流体渗流通道;地下蓄水层和断层是各向同性的多孔介质;宏观流体从地下蓄水层断层是一个持续的过程;在模型中流体是不可压缩的,温度的影响被忽视;和流体密度和粘度是常数。

2.1。达西线性流动含水层

液体在深rock-bearing含水层主要由液压驱动,和流体惯性可以被忽视的12]。因此,这个模型中流体流动的加压含水层可以被视为一个低速多孔介质渗流与稳定连接到周围的水源,由达西定律描述在COMSOL多重物理量。 在哪里 磁导率, 流体压力, 是流体密度, 源库的术语, 达西速度, 动态粘滞度。

2.2。在断层破裂带边缘主义者方程

边缘主义者方程适用于表达fault-fractured区被挖掘的渗流特征和是达西流之间的非线性渗流方程和n - s流(13]。在COMSOL多重物理量,流Brinkman与Forchheimer校正方程所描述的多孔区域。 在哪里 非达西系数, 孔隙度, 影响流体的体积力, 是单位矩阵。根据文献,从经验公式获得非达西系数(14]。

Forchheimer系数和非达西系数之间的关系

2.3。在巷道n - s湍流

渗流下的故障迁移,这种挑水工式粒子逐渐接近工作面。当被挖掘或足够的水量,可以突破的工作面巷道自由流动navier - stokes方程[15]。

2.4。边界条件和过渡条件

水进入故障运行的过程和涌入巷道加压含水层的水从断层破裂的过程可以简化为三个阶段,如图1。这三个阶段是一个有机联系的统一整体,相互作用,不可分割。基于质量守恒和压力平衡,流体的流速和压力两个相邻区域是相等的,达西边界流的水压力是恒定的,和环境大气压力为0.1 MPa。


图1
三个流场的简化模型。

相邻含水层的边界和断层断裂区,

在相邻的边界断层破裂带和煤层工作面, 其中下标 代表了达西线性流, 代表Brinkman非线性流动, 代表n - s湍流。

方程(1)- (12)共同建立Darcy-Brinkman-NS multifield耦合非线性渗流理论模型的岩溶断层向斜和使用COMSOL多重物理量有限元软件开发三个流场耦合非线性渗流的数值模型和分析渗流场的特点,在每个阶段结合实际工程。

3所示。数值模拟断层突水的断裂带

本文使用F66断层在煤矿为工程背景。F66的主要缺点之一控制煤矿的煤层和结构,位于北面的蓬勃发展的领域,从北到南穿越声场,在本质上是正断层。断层切割煤层,煤层的完整性已被破坏。F66点显著下降,大断层宽度,和严重的分裂。

根据固体工程背景F66断层的煤矿、二维断层破裂水的数值模型建立了适当的简化。这个模型是300米长,100米宽,三个流体阶段相应的含水层,错,和道路。含水层位于较低的部分模型,分为两个梯形的地方,与断层区在中间,15米宽,70°倾角煤层是发掘从左边边界,与开挖工作面5米的高度。详细的数据在图所示2。


图2
数值模型的突水Qiyue山隧道(单位:米)。

根据网站的水文地质条件,设置模型的渗流边界。边界两边的含水层是固定水压力边界水压力为4.1 MPa,上下边界是不流动边界,和其他的外边界模型不流动边界。有 和 相邻含水层的边界和断层破碎带 和 邻边的断层和道路。的上部应力场是一个固定的约束边界;双方边界滚动支持,挖掘棕榈的脸和进积的脸是免费的界限,和大气压力的左边缘煤层隧道是恒定在0.1 MPa。

结合三个流场的耦合非线性渗流模型建立和坚实的工程背景,数值模型是基于使用有限元软件COMSOL多重物理量。数值模型包含358个域细胞和203细胞边缘,和三个流场的压力和速度计算稳态求解器进行求解。监控线a b c d记录内的水压力和流速的变化三个流场。含水层渗透性是 ,和渗透率的断层破裂带是一个动态变化的值,所以 设置为含水层渗透性断层渗透率的比值。6工作条件放在数值模型; 值是0.01,0.1,1、10、100年和1000年,分别。三个阶段的水动力参数如表所示1。

表1
三个阶段的水动力参数。

4所示。分析仿真结果

4.1。压力和流量

图3显示了一个云的流体压力分布不同 值。在渗流过程中压力和流量连续变化。随着断层比含水层渗透性增加,云的颜色映射之间的共同边界含水层和现货逐渐变成了蓝色,这表明相邻边界的压力将逐步减少随着断层渗透率的增加,流体压力转化为流体动力,使液体更容易通过共同进入断层边界根据水压连续性和节能。地下含水层时是稳定的 0.01、0.1或1。当 是10或更多,断层交界处和含水层的压力降低,表明断层渗透率大于含水层时,它会影响流体的稳定含水层。作为 增加,蓄水层中流体压力分布逐渐均匀,显示一个阶跃变化。断层内的压力逐渐降低的不一致的统一的状态,表明现货已经成为一个通道连接含水层和roadway-working表面。云的颜色没有改变地图的道路,和水压力总是小于0.1 MPa,因为路线是连接到外部世界,作为大气压力。


图3
流体压力剖面在不同γ。

理解更直观地在蓄水层流体压力和速度的变化,错误,和隧道,压力和流量监控线模拟从数值模拟获得的数据位的压力与速度变化曲线。图4显示了在不同压力的变化曲线β行模拟值三个阶段的监控。在地下含水层,压力逐渐降低,显著增加 ,和压力共同含水层之间的边界和断层也小。随着价值的增加,故障的压降速率逐渐减少,当 值为1000,断层带的压力稳定在0.1 MPa,基本持平。在隧道里,压力不随的价值 。这笔交易接近外部大气压力为0.1 MPa。


图4
在每个位置的压力模拟部分。

从图可以看出5,地下蓄水层和断层带中流体流速很小,和流速的增加略共同边界。流体速度在断层和道路边界显示了快速增长的趋势,和流速巷道上下波动,提供一个不稳定的状态,这表明流体的流动特性在巷道工作面变化显然更突然,突然的风险泥浆和水。


图5
在模拟部分上的每个位置的速度。
4.2。非达西效应
4.2.1。准备含水层的非达西流动特性

达西定律表明,流体压力和流速满足线性关系;然而,在数字的结果4和5表明,含水层压力降低而增加 ,明显而不改变流速,压力和流速都表现出非线性关系;因此,需要引入一个量化值量化流体非线性的程度。常用的两种方法,即梯度的比例和流速的比值,这主要是使用[16,17]。Forchheimer数量,这是二次项的比例(流体惯性项)的主要术语(流体粘性项)Forchheimer方程(18,19),反映了流体渗流的非线性程度和学者已经应用歧视非线性渗流。

非达西效应是 在哪里 非达西系数,计算了 。 是渗透率; 动态粘度; 是流量;和 是密度。

图6显示了不同Forchheimer数量 含水层监控线的值 当 是0.01,0.1,1, ,表明当断层渗透率小,粘滞阻力在流体中起着主导作用,液态是线性流,流体流动符合达西定律。而在 ,价值逐渐增加流体方法含水层之间的共同边界和断层带,表明惯性和粘度共同控制流体流动。惯性阻力不断增加,从最左边的一侧和粘滞阻力逐渐减少流体的共同边界位置的错。流体非线性程度逐渐增加。当 100年和1000年,断裂带远远大于含水层渗透性,渗透率显著大于1,和增长速度的趋势,上升到3在共同边界,表明断层渗透率的增加了蓄水层流体的流动的重要非线性特征。


图6
Forchhneimer数量在不同渗透率比值在含水层- 。

图7显示 和 点 在含水层监测行不同渗透率比率。作为一个整体,增加的两种趋势 值是接近相同。具体来说,两者之间正在迅速增加 和 ,指示在非线性逐渐增加。这之后,慢慢增加,最终到达一个更稳定的价值。


图7
Forchhneimer数量和非达西效应E点 在不同渗透率。
4.2.2。非达西流动断层带的特征

图8显示了公元前断裂带在不同渗透率比值,表明Forchheimer数量 是小而趋于0时 ,这表明流体流动是弱非线性和倾向于断裂带是线性的。当 或 , 显著增加,大于1的临界值,说明流体的流动状态的断裂带是非线性的大的渗透率。外的快速增加和减少 断层带的两端,这是由于流速的突然改变的共同边界。此外,在147.5 ~ 165.5的范围在公元前监控线,整体的观点 变化很小,相对稳定,这表明流体的惯性阻力起了主要作用。


图8
公元前的断裂带在不同渗透率比率。

图9显示 在公元前断裂带在不同渗透率比值因为 随 。图的分析类似8。断层的破裂岩体包含许多微小的岩石和土壤颗粒。流体渗流下的粒子不断失去的迁移,从而导致孔隙度和渗透率的变化。从方程(6)和(7),非达西系数 和Forchheimer系数 随孔隙度。在一个特定的比例渗透率 ,断层区有不同的孔隙度 ,分别和相应的Forchheimer数量的 计算。的影响 在流体流动状态进行分析。因此, 断层带的时间,平均孔隙度为0.33,0.34,0.35,0.36,和0.37,分别分析了断层破裂带的非达西流动特性。


图9
公元前的断裂带在不同渗透率比值。

图10显示的值 公元前的断裂带在不同Forchheimer系数 。为每一个 ,相同的现象 增加迅速从一个初始值约等于零当流体第一次进入断裂带,更稳定流动时的错,和减少快速冲时的内疚。在这个过程中,粘滞阻力减弱,惯性阻力增加,和液体的流动状态的变化从线性到非线性流。在起始阶段,大 是,更显著的增加 是多少。更大的流体 有更可观的 价值的确切位置。在一个特定的比例渗透率 ,越大 断层的影响孔隙度、流体越大往往是在非线性流状态。


图10
公元前的断层带的情况 和不同的 。

5。结论

(1)通过压力和流速的研究在六个工作条件下,随着断层渗透率的增加,含水层的水压力减少,进入故障增加,流体的速度和含水层的水压变化从一个稳定状态不稳定状态,受影响的面积扩大,和错的水压力变化不稳定状态到稳定状态。在附近的流场区域,水压力和流速突然改变,断层破裂带的孔隙结构和渗透率影响突水的危险因素至关重要(2)随着渗透率比值的增加,地下蓄水层中的流体流动逐渐从粘性阻力改变惯性阻力发挥主导作用发挥的主导地位。Forchheimer数量增加迅速,当流体流过两个流场的邻近区域。Forchheimer数量是更稳定的流动断层破裂带,和非达西效应随渗透率的增加比率值。随着断层渗透率的增加,流体在含水层和现货从线性流状态逐渐变化到一个非线性流状态,和非线性流流体的巷道显示显著的非线性特征

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

这项工作是由中国国家自然科学基金(52274079和U1904128),该项目为河南省高校科技创新团队(23 irtsthn005),河南理工大学的青年教师基础(2019 xqg-08),和教育教学改革的研究与实践项目河南理工大学(2021 jg100)。