变质量效应下断层破碎带的非达西效应及滞后突水机理

【作者】 巫勇江； 韩宪军； 曹正正； 王文强； 李振华； 杜锋； 赵昱尧；

【机构】 河南理工大学土木工程学院； 河南理工大学河南省地下空间开发及诱发灾变防治国际联合实验室； 河南理工大学河南省矿井水害防控及水资源利用工程技术研究中心； 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心；

【摘要】 煤炭作为我国能源安全的压舱石和支撑能源结构调整的稳定器,仍然发挥着极为重要的战略作用。作为影响矿井安全生产的五大灾害之一,煤矿水害造成的直接经济损失位列各类灾害之首,严重制约煤炭资源的安全高效开发。据统计,我国约80%的矿井突水灾害与断层存在密切联系。其中,断层滞后突水具有隐蔽性强、破坏性大、预测难度高、防控效果差、影响范围广等特点,是煤矿突水灾变机理及防控研究的热点和难点。目前,在煤层底板断层滞后突水机理方面,国内外学者主要从断层充填体流变失稳和断层围岩损伤断裂等方面开展了大量的研究工作,有效地指导了矿井突水灾害的防控工作。进一步的研究表明,断层破碎带岩体一般呈现弱胶结、低强度、受扰动变形大等特性,在应力-渗流作用下,易发生岩体软化破坏,并造成岩体颗粒迁移流失。工程实践表明,煤层底板断层滞后突水灾害发生过程中,通常会出现岩体颗粒随水流一起涌入开采工作面的现象,即冲蚀作用下断层破碎岩体颗粒迁移和质量流失产生的渗透特性等参数变化是诱发煤层底板断层滞后突水灾害的重要原因。含水层水体在断层破碎岩体中流动将带走一些细小固体颗粒,这种现象可以在力学上描述为质量从断层破碎带分离出去,目前该问题尚未引起足够的重视。基于此,本论文综合采用室内试验、理论建模和数值计算等研究方法,针对变质量效应下断层破碎带的非达西效应及滞后突水机理开展系统深入的研究工作。研究成果表明:图1为断层带监测线B-C在不同渗透率比值的F₀值,可以看出,β≤10时,F₀值变化较小,趋近于0,说明当断层带渗透率与含水层渗透率比值较小时,在断层带中流体呈现出线性运动,非线性程度较弱。当β=100或β=1000时,F₀值大于1且随着β值的增大而增大,说明当断层渗透率较大时,含水层内的层流流体进入断层流体运动状态极易发生改变,倾向于非线性流动。断层带监测线147.5m处,含水层与断层边界处,F₀值由低值迅速升高,而监测线165.5m处,断层与巷道边界处,F₀值由高值出现下降趋势,这是因为流速在共同边界处发生突变。而在147.5～165.5m之间,F₀值较小波动,整体较为平稳,这是因为边界处波动之后,流体惯性阻力发挥主导作用,非线性程度保持一致。图2为断层带监测线B-C在不同渗透率比值下的非达西效应E值,从图中可知,E与F₀趋势相近,随着F₀变化而变化。图3为渗透率比值为β=10时,不同Forchheimer系数c_f的情况下断裂带B-C的F₀。由图可知,断层渗透率比值为定值,断层渗透率0.33、0.34、0.35、0.36和0.37这五种情况下的对应的Forchheimer系数c_f值分别为2.22、1.89、1.61、1.38和1.18。五种c_f值具有相同的变化趋势,进入断层时,F₀较小,接近于0,但是呈现出上升趋势,变化不大,随着不断的深入断层,F₀值出现快速增大现象,到了断层与巷道边界处又快速下降,说明在这个过程中,流体状态从线性层流逐渐转变为非线性流,此过程中粘滞阻力减弱,惯性阻力增强是造成流态变化的主要原因。c_f值越大,F₀变化速率越快,增幅越显著,对于相同监测点位置,c_f值越大,F₀越大。可见在断层渗透率与含水层渗透率比值为定值的情况下,根据计算结果可知,孔隙率越小,Forchheimer系数c_f越大,则流体流态更倾向于非线性渗流。研究成果揭示了变质量效应下断层破碎带的非达西效应及滞后突水机理,可为煤层底板断层滞后突水灾害防控提供理论参考和依据,能够进一步丰富和完善破碎岩体变质量渗流理论体系,具有重要的科学价值和工程意义。更多还原