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为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。 相似文献
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为了研究陷落柱影响区域内巷道渗流突水机制及其主控因素,采用Darcy、Brinkman、N-S方程对含水层、陷落柱、突水巷道内流场进行联动系统刻画,选取不同参数、不同边界等变量,分析影响陷落柱渗流突水强度的主要因素。结果表明:定压、定流量条件下,含水层渗透率增大会引起含水层和陷落柱交界处区域流速增大,但定流量条件下增幅较小,且会降低巷道突水流速;陷落柱渗透率的增大对突水压力和突水流速作用显著,定压条件下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速骤增;含水层压力增高,陷落柱区域和巷道区域流速明显增大;在定流量边界下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速仅发生微小波动;将研究结论与现有相关成果进行了对比验证分析,获得了与本文较一致的研究规律。总体分析,陷落柱影响区域巷道突水机理是含水层水压高、足量补水、陷落柱破碎区域渗透率较大且联通了含水层和巷道;其中,含水层压力、陷落柱渗透率是陷落柱渗流突水强度的主控因素。 相似文献
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针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体“变强度-变渗透性-变黏度”的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量（流速）、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发（不考虑渗透性增大的影响）,随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。 相似文献
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Mine water inrush is one of the main hazards in coal mining industry. The mechanism and the processes are complex. Investigation of the spatiotemporal development of the hydrological process could lead to a better understanding of mine water inrush and effective countermeasures. For this reason, we investigated spatial and temporal characteristics (i.e., the changes of flow rate, groundwater level, and water quality) during a water inrush event in China, which had a flow rate of 730 m3/h at maximum and 300m3/h under a steady condition. The result shows that the water inrush developed in several stages. A mathematical model of the dynamic change between the water table and the inrush flow rate was constructed. Based on this model, we found the relationship of highly conductive flow channels between some observation boreholes and the water inrush point. In addition, the recharge velocity of the highly conductive flow channels and the equivalent mean flow velocity of the whole mine were determined. A comprehensive analysis of geological, hydrodynamic, and crustal stress conditions was conducted to study the development of the water channel near the F13 fault and the nonlinear process from seepage stage to inrush stage. The result reveals the water inrush is likely caused by activation of faults under combined influences of high crustal stress and high hydraulic pressure. 相似文献
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断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析 总被引：4，自引：0，他引：4
矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。 相似文献
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煤矿中断层构造对开采条件、瓦斯突出、矿井突水等都有显著的影响。以陈四楼煤矿为例,利用分形理论计算了深部采区断层构造的分维,对断层构造的复杂程度进行了讨论和划分;分析了不同区域断层构造分维值出现差异的原因;建立了断层构造分维与矿井突水单位涌水量的对应关系,随断层分维的增加,矿井突水的单位涌水量也将随之增大。研究区的断层分维在0.7925～1.4534,断层总体的复杂程度为中等。 相似文献
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地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态,此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点,在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏,诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性,运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验,得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律,推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系,且轴向位移越大时,随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小;三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系,两者之间的相关系数达0.95以上;轴向位移恒定时,随着围压的增大,破碎砂岩渗透率k减小,非Darcy流β因子增大,各级轴向位移下,破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系;随着孔隙率的减小,5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势,非Darcy流β因子整体增大,且渗透率量级为10-14～10-11 m2,非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。 相似文献
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Raphael Schneeberger Daniel Egli Georg W. Lanyon Urs K. Mäder Alfons Berger Florian Kober Marco Herwegh 《Hydrogeology Journal》2018,26(8):2725-2738
Groundwater flow in granitic bedrock is of major interest for underground projects such as radioactive waste disposal. It is generally accepted that granitic rocks of the upper crust are characterized as faulted low-porosity rocks showing fault-related permeability. In this study, the influence of existing faults on the present-day water flow in the Grimsel Test Site (Switzerland), an underground rock laboratory situated in granitoid rocks, was investigated by mapping water discharges. As a result, the link between water flow and faults considering slip-tendency analysis and fault intersections is evaluated. Water-conducting features were combined in a structural-permeability favorability map. Faults and dykes occur as three orientation groups, NE–SW, E–W, and NW–SE trending, all steeply dipping southwards with fault intersections also steeply plunging southwards. In total, 100 water discharges were mapped in summer 2014 and 85 in winter 2016, which are located along faults or fault intersections. A comparison of water discharges with structures showed that high-slip-tendency metabasic dykes and fault or dyke intersections represent the dominant flow paths. Further, it could be demonstrated that higher slip-tendency tends to lead to enhanced average hydraulic conductivity and therefore more constant water flow. Based on water fluxes, fault intersections are inferred to represent first-order locations of water percolation followed by high-slip-tendency metabasic dykes. The combination of all water-conducting features into a structural-permeability map results in covering all water discharges. Therefore, the structural-permeability favorability map can serve as suitable representation for constraining water inflow in fractured granitoid host rocks. 相似文献
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In 2010, a water inrush accident through a fault with a high flow rate occurred at Tianzhuang coal mine in Jining, Shandong Province, China, which was subject to the fault excavation. Grouting is an important treatment method before and after water inrush accidents. In this paper, the evolution of this water inrush accident is studied, and the effective treatment method is presented. The obtained results indicate that groundwater from Ordovician limestone aquifer 28.5 m below the floor flowed into the roadway through the fault zone. Results also show that this water inrush through the fault zone can be divided into a flow rate steady increase phase, a rapidly increase phase, a decrease phase, and a steady phase. The first two phases resulted from permeability increase of the fault, which was caused by seepage failure, and water level of the aquifer led to last two phases. Additionally, grouting using the ground borehole successfully controlled this water inrush accident, and it is proven to be a valid method. 相似文献
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岩溶陷落柱是内部结构杂乱无章的特殊地质构造,易成为隐伏于煤层底板下的垂向导水通道,是华北地区石炭二叠系煤田的重大安全隐患。在采动影响下,底板隐伏陷落柱的突水通道通常由底板破坏带和陷落柱共同组成,为了研究其渗流突变机制,利用自行研制的破碎岩体渗透性试验系统,对不同底板破坏带条件下,隐伏陷落柱的渗流特性进行了试验研究。研究结果表明：渗流突变发生的根本原因是大颗粒流失导致破碎岩体孔隙结构改变;发生渗流突变时,流速随渗流边界孔隙直径的增大而增大,同时试样的初始孔隙度均大于0.21;未发生渗流突变时,渗流边界对渗流无显著影响,并且试样的渗透率随孔隙度的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系;非Darcy流 因子为负是渗流突变发生的充分必要条件,非Darcy流 因子的大小决定渗流突变的剧烈程度。 相似文献
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先前的研究多考虑断层封堵和开启的2种极端状态,近来的研究认为,在多数情况下断层处于2种之间的状态,只有在静止期具有封闭能力的断层,才有可能对油气起封堵作用。分析断层对流体运移的影响,需要分析断层在演化过程中的内部结构特征。断层可以划分出破碎带、诱导裂缝带和围岩3部分,断层岩和伴生裂缝构成破碎带的主体部分。常见的断层岩包括断层角砾岩、断层泥和部分碎裂岩,它们充填在断层裂缝空间中,断层内部结构受断层形成时的构造应力性质、断层活动强度和围岩岩性因素的控制。从动态角度看,随着断距增加,断层活动伴随着裂缝的发育和岩石的破碎混杂,可用泥质源岩层厚度和断距的比值来划分不同的发育阶段。断层活动期为油气运移通道,在静止时表现出差异性的封闭,通常用断层渗透率和排替压力2个参数来定量评价断层的封闭程度。断层岩渗透率主要受断距、泥质含量、埋深等因素的控制;断层排替压力的预测方法有2种:一种是从断层岩成岩角度分析的"等效埋深法",另一种是分析实测排替压力与主控地质因素的"拟合法"。通过简化的断层模型,建立了渗透率、排替压力与主控因素的预测关系。和储层类似,流体在断层中的运移遵循多孔介质的渗流特征。利用断层两侧的流体压力和油气柱高度并不能直接评价封闭性能,还必须考虑油气充注史和流体压力变化历史。 相似文献
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Li Lianchong Yang Tianhong Liang Zhengzhao Zhu Wancheng Tang Chunan 《International Journal of Coal Geology》2011,85(3-4):276-288
Permeable geologic faults in the coal seam can cause intermittent production problems or unexpected amounts of groundwater outburst from the underlying aquifers. With the acknowledgment of the basic mechanism for groundwater outbursts, the groundwater outburst along the fault zones in coal mines are numerically investigated using RFPA, a numerical code based on FEM. The fracture initiation, propagation, and coalescence in the stressed strata and the seepage field evolution in the stress field are represented visually during the whole process of groundwater outburst. The numerically obtained damage evolution shows that the floor strata could be classified as three zones, i.e. mining induced fracture zone, intact zone and fault reactivation zone, in which the intact zone is the key part for resisting groundwater outburst and directly determines the effective thickness of water-resisting rock layer. With understanding of the evolution of stress field and seepage flow in floor strata, the groundwater outburst pathway is calibrated and the transformation of floor rock mass from water-resisting strata to outburst pathway is clearly illuminated. Moreover, it is shown that geometrical configuration, including inclination angle of faults and seam drop along faults, have an important influence on groundwater outburst. Finally, based on geological, hydrogeology survey and numerical results, the mechanism analysis of groundwater outburst in an engineering case is studied, which can provide significantly meaningful guides for the investigation on mechanism and prevention of groundwater outburst induced by faults in practice. 相似文献
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高渗压小水力梯度岩石渗透性测试 总被引：1，自引：0，他引：1
对低渗透岩石的渗透性测试一般采用瞬时压力脉冲法,但该方法不能真实模拟野外高孔隙水压力、小水力梯度的现场实际条件,而且试验存在较大误差。为此开发研制了一套新型高压渗透仪,在渗透出水端安装了管路过滤器、调速阀两种器械元件,可手动任意调控流量大小,而流量大小采用精确测量渗出水体积变化量表示。试验只要保证进水端水压不变,当调控的水流量与试样的渗流量达到平衡时,则会在出水端形成一个稳定的水压值。该套试验设备不但可对圆柱体试样进行渗透性、力学特性测试,而且还可以对方柱体试样进行渗透性测试,实现了对岩石实际所处应力、高孔隙水压力环境的真实模拟。实测检验理论技术可行,达到了满意的试验效果。 相似文献
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在油气勘探过程中,对于小位移断层分隔油水封闭能力的控制因素研究尚浅,野外也难以获得不同变形过程的断层带结构及其渗透性变化规律.因此,以高孔隙度纯净砂岩人造岩心为研究对象,采用自主研发的“高压~低速环形剪切装置”开展实验,实验后样品取心分别进行覆压孔渗测试、纳米CT扫描、铸体薄片分析等分析测试.以有效正应力和断层位移为实验变量开展了多组环剪实验,其研究结果表明:宏观上断层面上可观察到明显擦痕与粉末状碎裂岩,微观上确定了断层带内碎裂作用导致的颗粒粒度降低与颗粒的定向排列是孔渗降低的主要原因,断层带渗透率小于10 mD,较母岩降低2~3个数量级.随着断层有效正应力或断层滑动位移增加,断层带碎裂程度增大且粒径和孔径减小,断层带厚度增大,孔隙度和渗透率逐渐减小.这一结果可为小位移断层侧向封闭能力与油气勘探领域的研究奠定理论基础. 相似文献
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为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。 相似文献
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矿井底板突水系数介于0.06~0.1 MPa/m区域内发育的隐伏断层，是煤矿生产过程中发生突水的关键因素之一，对其进行科学分类有利于制定底板突水防治针对性措施。通过煤层底板隐伏断层特征分析，根据隐伏断层顶界面位置与"下三带"垂向关系，从底板水害防治角度，将煤层底板隐伏断层分为高位、中位及低位3种类型。借助理论与突水案例分析手段，指出存在突水威胁的高位隐伏断层具有全贯通、突发性、水量大及危害程度高等特点；中位隐伏断层具有突水时间难以判断、突水后难以治理的特点。针对高位隐伏断层，提出工作面回采前对煤层底板进行注浆加固等防治措施；针对低位隐伏断层，提出在突水灾害前后采取不同思路的注浆治理措施。研究成果对于煤矿企业应对隐伏断层引起的底板突水灾害提供了重要参考。 相似文献
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随着声纳渗流检测技术在水文地质勘探中的应用,其测量结果精度的高低对获取的水文地质参数的准确性起着至关重要的作用。文章依托南宁某基坑工程,采用现场试验方法,同时考虑天然流场和人工流场,分三个阶段对基坑止水帷幕进行声纳渗流检测,对比不同阶段渗漏缺陷暴露的情况,同时根据渗透流速量级变化判断其检测结果精度的高低,并在实际工程中验证其准确性。研究结果表明:不同降水阶段的渗透流速大小变化显著,基坑地下水位降深每增加10 m,声纳检测到的渗透流速平均提高1~2个量级。其原因为降水导致基坑内外水头差增大,水力坡度的增加使渗漏缺陷附近的渗流场发生变化,高水头作用下渗透流速变化明显,渗漏缺陷定位更加精准,声纳检测精度也越高。可见,抬高基坑内外水头差对墙体渗漏缺陷的精准定位十分必要。因此,在对基坑止水帷幕采取声纳渗流检测时,建议将地下水位降至基坑底板以下,以提高检测结果的精度,有效探测止水帷幕渗漏风险。 相似文献
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煤矿水害分区、矿井水害类型与水文地质类型等划分结果在矿井充水水源、充水通道等水害形成要素方面体现相对不足,对煤矿防治水工作指导性不强。本文从矿井水害形成的基本要素入手,通过分析矿井不同类型充水水源、充水通道及其组合条件下的矿井水害特点及其危害程度,将矿井充水水源按其富水程度与供给能力划分为缓渗式弱供给、涌溃式快供给、突涌式强供给和无阻滞式充分供给4种类型;将充水通道按照其渗流畅通性与空间尺寸划分为低渗流型、高渗流型、小断面自由流管道型、大断面自由流通道型4类充水通道;按不同充水水源与充水通道之间的组合关系,将矿井水害危害性程度划分为轻微、中等、严重与极严重4级,并借鉴Piper三线图与库尔洛夫式地下水水化学分析原理,绘制了矿井水害类型"4-4-4三线图",提出了能简洁反映矿井关键充水要素与水害特征的矿井水害类型划分方法,为煤矿开展水害防治提供指导。 相似文献
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多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。 相似文献