从岩层渗流失稳的视角认识煤矿突水机理.pdfVIP

_______________________________________________________________________________ 从岩层渗流失稳的视角认识煤矿突水机理* 1 2 3 3 孙明贵 李天珍 黄先伍 ，4 岳建华 （1 安徽理工大学 淮南232000，2 徐州工程学院 徐州 221008，3 中国矿业大学 徐州 221008，4 贵州工业大 学 贵阳 550004） E-mail:ltz58@ 摘 要：将岩体描述成由多层不同厚度和不同渗透特性岩石构成的多孔介 质，建立了岩体非 Darcy 渗流系统的非线性动力学模型，讨论了系统的平 衡态的存在性，用分离变量法建立了系统的失稳条件。从渗流系统失稳的 视角揭示了矿井突水的力学机理，认为突水是层状岩体渗流失稳的过程。 研究表明，矿井突水是由各层岩石的厚度、渗透特性、渗流液体的力学性 质及边界压力共同决定的。当渗流系统的控制参量与边界压力满足一定的 条件时，系统失去稳定性，引发突水灾害；当岩层中某层岩石的渗透率比 其他岩层低一个量级，而非 Darcy 流β 因子比其他岩层高两个量级时，该岩 层为渗流系统的关键层，其渗透特性对系统的稳定性起支配作用。 关键词：煤矿突水 非 Darcy 流 渗透特性 稳定性 1 引言 突水是煤矿重大灾害之一。近 40 年来，我国共发生矿井突水事故 2000 余次，有 2000 余人丧生，直接经济损失高达 40 亿元。据统计，我国国有煤矿中半数煤矿存在突水危险性， 并且突水危险越来越严重[1] 。我国学者在突水机理研究和突水灾害防治技术攻关中取得举世 瞩目的成就，代表了当前采矿技术领域的世界领先水平。为探索矿井突水机理，先后提出多 种力学模型，主要有：毕贤顺、王晋平的流- 固耦合模型[2] ，桂和荣、龚乃勤、孙本魁的渗 流-应力-温度多场耦合模型[3] [4] ，施龙青、尹增德、刘永法的损伤模型 ，勒德武、王延福、 马培智的塞子模型[5]等。而且，当代非线性科学的研究成果在突水防治中得到了应用[6-8] 。 然而，这些研究工作中突水与岩体的几何特性和渗流特性联系很少。缪协兴、陈占清等试图 从峰后岩石非Darcy流的失稳过程解释突水机理，但其模型与工程实际相差很大[9-11] 。本文 将煤矿围岩视为由多岩层组成的孔隙介质，各岩层的矿物成分不同、应力-应变状态不同决 定了各岩层的渗透特性 （渗透率、非Darcy流β 因子河和加速度系数）不同，水在岩层中的 渗流失稳引发突水。 2 层状岩体渗流的非线性动力学模型 设围岩由n 层岩石组成，各层的厚度为hi ，孔隙率为φi ，渗透率为ki ，非Darcy流β 因 子为β ，加速度系数为ci ，两端的压力为p 和p ，(i 1,2,L,n) ，见图 1。岩层渗流的 i a i − 1 i 动力学方程由质量方程、动量方程、孔隙压缩方程和流体压缩方程组成，对于一维无源流 动，当忽略体积力时，这些方程分别为[12] * 国家杰出青年基金 , 国家自然科学基金重点项目 和教育部博士点基金 (20010290003)资助。 _______________________________________________________________________________中国科技论文