Нелинейная фильтрационная эрозионная модель притока воды с учетом гранулометрического состава колонны карстового обрушения и ее инженерное применение

Jan 09, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 17078 (2022) Цитировать эту статью

443 доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Прорыв воды через карстовую обрушительную колонну является одной из крупнейших катастроф, угрожающих безопасности производства на угольных шахтах. Распределение частиц по размерам в карстовой колонне обрушения является одним из ее основных физических свойств, которое имеет сильную корреляцию с миграцией частиц и является важной основой для оценки риска прорыва воды в колонну обрушения. С помощью специально изготовленной установки были проведены испытания нелинейного течения щебня в различных градационных условиях и построено уравнение связи между параметрами нелинейного течения (проницаемостью и недарси-фактором) и показателем степени Талбола n. Создана нелинейная модель течения с переменной массой притока воды из колонны карстового обвала. Обсуждены пространственно-временной закон эволюции давления, скорости, пористости и концентрации при потере частиц, а также влияние градации частиц на риск прорыва воды в карстовую колонну обрушения на руднике Фань Гэчжуан. В процессе притока воды режим течения флюидов в колонне карстового обрушения постепенно переходит от слабого инерционного течения к сильному, в конечном итоге становясь турбулентным. Модель течения, основанная на односостоянии потока, не может отразить суть смены режимов течения при притоке воды. Чем больше n, тем сильнее водопроницаемость колонны карстового обрушения, тем быстрее мигрируют и теряются частицы, тем быстрее развивается русло потока с высокой пористостью, тем короче время достижения притоком воды своего максимального значения и тем выше риск прорыва воды.

Карстовые обрушительные колонны — уникальная скрытая вертикальная структура, обнаруженная в угольных месторождениях бореальной пермо-каменноугольной системы Китая, — широко распространены в 45 угледобывающих районах 20 угольных месторождений1. Подножие карстовых обвалов находится в пещере из растворимых пород. В целом он может служить мощным водопроводным каналом, который не только передает гидравлические связи между водоносным горизонтом и рабочим забоем ордовикских известняков, но и вызывает прорыв воды. Например, крупный прорыв воды «3·1», произошедший на шахте Кэмел Хилл в городе Ухай, Внутренняя Монголия, 1 марта 2010 года, привел к гибели 32 человек, ранениям 7 человек и прямому экономическому ущербу в размере 48,53 миллиона юаней2. 10 сентября 2018 года на угольной шахте Сяоюнь в провинции Шаньдун произошла авария с прорывом воды из забоя угольного забоя № 1313. Во время этой аварии максимальный уровень притока воды достиг 3673 м3/ч, что привело к прямому экономическому ущербу в размере до 25,66 млн юаней3.

Ученые в стране и за рубежом тщательно исследовали прорыв воды в колонну карстовых обрушений. Ван4 исследовал правила прорыва воды в колонны карстового обрушения на дне и в пласте, проходящем через уголь, путем разработки лабораторной таблицы для моделирования прорыва воды в колонну карстового обрушения, проводящую воду. Чжан5 разработал трехмерную крупногабаритную экспериментальную модель, позволяющую воспроизвести ситуацию с прорывом воды в колонну карстового обрушения на угольной шахте Луотуошань и получить как клиническое гидравлическое давление, так и точки прорыва воды. Приток воды в колонну карстового обрушения редко изучался с использованием экспериментов по моделированию подобия, но закон эволюции нелинейных параметров фильтрации часто исследовался в отношении трещиноватых массивов горных пород. Например, Мутсопулос6 обнаружил, что члены как линейного, так и нелинейного сопротивления в уравнении Форххаймера имеют тенденцию уменьшаться по мере увеличения содержания крупных частиц в пористой среде, используя нелинейные тесты на просачивание для накопительных гранулированных пористых сред. Neild7 пришел к выводу, что нелинейные параметры просачивания чувствительны к изменениям в структуре пор, основываясь на результатах исследований, полученных Дюпюи и Форххаймером. Процесс просачивания трещиноватого массива обычно сочетается с изменением поровой структуры. Bai8, Yao9, Chen10 и Ma11,12 исследовали потоки переменной массы из трещиноватых горных пород в соответствии с законом Дарси. О влиянии переменных массовых потоков и гранулометрического состава трещиноватых горных пород на нелинейные параметры фильтрации в условиях нелинейного потока сообщалось редко.