礦井突水滲流理論

及研究方法2011-4-12

1ppt課件礦井突水滲流理論

及研究方法2011-4-12主要內(nèi)容§1斷層突水機(jī)理簡介§2地下水滲流基本理論概述§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理初步研究§5礦井突水下一步研究重點(diǎn)和難點(diǎn)2ppt課件主要內(nèi)容§1斷層突水機(jī)理簡介2ppt課件從過去大量突水事故中的水文地質(zhì)資料和突水原因分析，絕大多數(shù)是與斷裂構(gòu)造有著直接關(guān)系的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的突水發(fā)生在斷裂構(gòu)造帶本身及鄰近范圍內(nèi)。例如井陘礦區(qū)，直接沿?cái)嗔寻l(fā)生的突水占74%，斷裂影響帶（距斷層帶15m范圍）內(nèi)占23%；在肥城礦區(qū)，與斷裂構(gòu)造有關(guān)的突水占72.6%，其中5次大于1000m3/h的突水，均與斷裂構(gòu)造有關(guān)。而且，突水過程中首要的是對(duì)突水量及突水動(dòng)態(tài)變化特征的把握。而突水通道中地下水的滲流特征是決定突水量及突水動(dòng)態(tài)變化特征的關(guān)鍵。因此，斷層突水機(jī)理是礦井突水理論的重要環(huán)節(jié)?！?斷層突水機(jī)理簡介3ppt課件從過去大量突水事故中的水文地質(zhì)資料和突水原因分析，絕大多數(shù)是一、斷層突水機(jī)理研究現(xiàn)狀1、礦山壓力與采動(dòng)巖石（體）力學(xué)方面楊善安詳細(xì)分析了斷層在采空區(qū)的位置與突水的關(guān)系。黎良杰、錢鳴高等把斷層分為張開型與閉合型，分別對(duì)其突水機(jī)理進(jìn)行分析。譚志祥利用力學(xué)平衡的原理，計(jì)算底板斷層在垂向方向承受的壓力。李曉昭等提出斷裂帶內(nèi)產(chǎn)生指向開挖空間的較大回彈位移和位移梯度，導(dǎo)致斷層帶內(nèi)張性裂隙的產(chǎn)生和地下水的透入。§1斷層突水機(jī)理簡介4ppt課件一、斷層突水機(jī)理研究現(xiàn)狀§1斷層突水機(jī)理簡介4ppt課件營志杰利用煤層滲透性變化規(guī)律，確定了斷層防水煤柱保持穩(wěn)定和隔水的基本條件，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式：式中：Wb為斷層裂隙帶寬度，Wp為彈性核寬度，Wy為屈服帶寬度。施龍青結(jié)合礦山壓力控制理論及幾何損傷力學(xué)理論，分析了礦山壓力對(duì)突水量的影響作用,研究了采場斷層在礦山壓力作用下活化的力學(xué)機(jī)理。張文泉以斷裂的結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，從斷裂產(chǎn)生的裂隙、節(jié)理的角度，運(yùn)用斷裂力學(xué)論述了裂隙、節(jié)理的擴(kuò)展和貫通是底板突水的必要通道條件。§1斷層突水機(jī)理簡介5ppt課件營志杰利用煤層滲透性變化規(guī)律，確定了斷層防水煤柱保持穩(wěn)定和隔2、復(fù)雜性方法方面邱秀梅、周瑞光等利用重整化群方法研究了斷層單元體破裂的隨機(jī)性和關(guān)聯(lián)性，并對(duì)斷層導(dǎo)水裂隙的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了分析。白峰青基于極限設(shè)計(jì)思想的概率方法提出斷層防水煤柱設(shè)計(jì)的可靠度方法，認(rèn)為斷層沿側(cè)向突水的概率小于沿工作面底板突水的概率.潘岳根據(jù)Mises增量理論，對(duì)巖體斷層破裂的突變進(jìn)行理論分析。杜文堂使用了可靠度分析的“JC”方法，分析了水壓力、煤層抗張強(qiáng)度及突水系數(shù)的不確定性，建立了防水煤柱可靠度分析的極限狀態(tài)方程。

§1斷層突水機(jī)理簡介6ppt課件2、復(fù)雜性方法方面§1斷層突水機(jī)理簡介6ppt課件3、地質(zhì)科學(xué)方面韓愛民從地質(zhì)力學(xué)的角度，在基巖裂隙透水性基本特征分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響斷裂帶透水性以及可能引起斷層涌水的各種地質(zhì)因素，總結(jié)出易于突水的斷層的特征。倪宏革、羅國煌等提出了底板突水的優(yōu)勢面理論，認(rèn)為在眾多構(gòu)造中，對(duì)突水起決定性控制作用的當(dāng)屬優(yōu)勢斷裂。劉燕學(xué)探討了斷層構(gòu)造對(duì)底板突水的控制作用，定性分析了相同的地質(zhì)條件下，斷裂破壞帶突水的可能性較正常巖層突水可能性顯著提高?！?斷層突水機(jī)理簡介7ppt課件3、地質(zhì)科學(xué)方面§1斷層突水機(jī)理簡介7ppt課件楊新安將斷層突水分為大斷層突水與小斷層（落差為幾米的一條或幾條斷層構(gòu)成的破碎帶）突水，并分別分析了各自突水的特點(diǎn)和突水機(jī)理。

4、模擬研究方面楊映濤利用相似模擬研究了底板突水機(jī)理，得出了有斷層底板突水的可能性，與斷層的位置和角度有關(guān)。周鋼采用相似模擬探討了斷層上、下盤的開采順序、推進(jìn)方向及煤柱尺寸對(duì)斷層導(dǎo)水危險(xiǎn)性的影響。

王成緒、朱第植、王維理等用有限元法，對(duì)底板突水進(jìn)行了數(shù)值模擬?！?斷層突水機(jī)理簡介8ppt課件楊新安將斷層突水分為大斷層突水與小斷層（落差為幾米的一條或幾5、滲流理論方面Sheik.A.K和Pariseau.W.G認(rèn)為在礦井圍巖穩(wěn)定性的研究中，水是礦井圍巖穩(wěn)定的主要決定因素。Geir.et.al在考慮地下水的影響中，采用了一個(gè)不受巖體采動(dòng)影響的滲流模型，并對(duì)巖體變形與流體流動(dòng)的耦合模型進(jìn)行了應(yīng)用。高延法分析了水與水壓在底板突水中的力學(xué)作用。仵彥卿依據(jù)水力學(xué)特征，把巖體結(jié)構(gòu)分為五類：孔隙連續(xù)介質(zhì)、準(zhǔn)孔隙連續(xù)介質(zhì)，裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，雙重介質(zhì)，巖溶管道介質(zhì)來進(jìn)行研究?！?斷層突水機(jī)理簡介9ppt課件5、滲流理論方面§1斷層突水機(jī)理簡介9ppt課件劉繼山用實(shí)驗(yàn)的方法分別研究了單裂隙和兩組正交裂隙受正應(yīng)力作用時(shí)的滲流規(guī)律。鄭少河等人在理論上推導(dǎo)了含水裂隙巖體的初始損傷及損傷演化本構(gòu)關(guān)系，分析了滲透壓力對(duì)巖體變形的影響機(jī)制。潘國營利用廣義雙重介質(zhì)滲流理論，對(duì)焦作礦區(qū)巖溶水通過大量的水流模擬試驗(yàn)，得到了水在巖體裂隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)中的滲流規(guī)律?？妳f(xié)興、劉衛(wèi)群、陳占清等研究了采動(dòng)巖體滲流的力學(xué)機(jī)制。另外，楊棟、王芝銀、李云鵬、黃濤、張建華、楊太華、周創(chuàng)兵、王瑗等在流固耦合方面作了很多的工作，提出了很多有益于工程的建議和結(jié)論。§2斷層突水機(jī)理簡介10ppt課件劉繼山用實(shí)驗(yàn)的方法分別研究了單裂隙和兩組正交裂隙受正應(yīng)力作用6、其它卜昌森基于大量的現(xiàn)場突水資料，探討了在礦壓作用下，地質(zhì)構(gòu)造的存在更容易引起底板突水。武強(qiáng)闡述了斷層滯后突水的弱化機(jī)理和主要控制因素，提出了煤層底板斷裂構(gòu)造突水時(shí)間弱化效應(yīng)的新概念?！?斷層突水機(jī)理簡介11ppt課件6、其它§1斷層突水機(jī)理簡介11ppt課件二、小結(jié)綜上這些研究成果，許多學(xué)者對(duì)斷層突水的原因及防治做了深入地研究，從不同的方面對(duì)煤層開采斷層突水的機(jī)理做了許多有益的探索，對(duì)減少斷層突水事故的發(fā)生，改善我國煤礦安全狀況起到了重要的作用。但仍存在一些不足之處，主要包括以下兩個(gè)方面的問題：1、由于斷層突水問題本身的復(fù)雜性，大多數(shù)理論只從單一學(xué)科或某一方面進(jìn)行研究。2、斷層帶滲流的定量化研究較少。因此，就以上兩個(gè)方面作了一點(diǎn)探索?！?斷層突水機(jī)理簡介12ppt課件二、小結(jié)§1斷層突水機(jī)理簡介12ppt課件§2地下水滲流基本理論概述一、有關(guān)滲流的幾個(gè)概念1、滲流流體通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)稱為滲流。滲流實(shí)質(zhì)上不是真實(shí)的流體運(yùn)動(dòng)，而是一種假想的流動(dòng)方式。“為了研究地下水的整體運(yùn)動(dòng)特征而引入的一種假想的水流，這種假想的水流具有實(shí)際水流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并連續(xù)充滿整個(gè)含水層”?！叵滤畡?dòng)力學(xué)滲流一詞是我國學(xué)者的“創(chuàng)新性發(fā)明”。在美國等西方國家滲流被描述為flowthroughporousmedia，即是通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)，有時(shí)也簡稱為porousflow或seepage

。而俄文中滲流的對(duì)應(yīng)詞意思為過濾器中的流動(dòng)或“滲濾”

。20世紀(jì)60年代初期我國學(xué)者給出了多孔介質(zhì)流動(dòng)的漢語定義：滲流。2010-9-11

13ppt課件§2地下水滲流基本理論概述一、有關(guān)滲流的幾個(gè)概念20102、多孔介質(zhì)具有互相連通空隙的巖石，通常指的是孔隙及較小的裂隙和溶隙。廣義：包括孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)（細(xì)小裂隙）和某些巖溶不十分發(fā)育（溶隙分布較均勻）的由石灰?guī)r和白云巖組成的巖溶介質(zhì)，都稱為多孔介質(zhì)。狹義：孔隙介質(zhì)。多孔介質(zhì)的一般性質(zhì)（1）儲(chǔ)容性：能夠儲(chǔ)集和容納流體；（2）滲透性：允許流體在孔隙中流動(dòng)；（3）潤濕性：巖石孔隙表面與流體接觸中所表現(xiàn)的親和性；（4）非均質(zhì)性：平面上和縱向上物理性質(zhì)時(shí)常差異明顯，孔隙結(jié)構(gòu)狹窄而復(fù)雜；（5）多相性：固、液、氣三相可共存;（6）壓縮性：當(dāng)壓力增加時(shí)，引起多孔介質(zhì)壓縮?！?地下水滲流基本理論概述14ppt課件2、多孔介質(zhì)§2地下水滲流基本理論概述14ppt課件§2地下水滲流基本理論概述3、滲流的分類三個(gè)方面：地下滲流、工程滲流及生物滲流。（1）地下滲流是指土壤、巖石和地表堆積物中流體（包括地下水、石油、天然氣等）的滲流。主要涉及能源工業(yè)、農(nóng)田灌溉、地下水污染及水利工程等。（2）工程滲流是指各種人造多孔材料和工程裝置中流體的滲流。主要涉及化工、冶金、機(jī)械、建筑等行業(yè)。（3）生物滲流是指動(dòng)植物體內(nèi)流體的流動(dòng)。分為動(dòng)物和植物體內(nèi)的滲流。15ppt課件§2地下水滲流基本理論概述3、滲流的分類15ppt課件§2地下水滲流基本理論概述二、研究滲流的科學(xué)—滲流力學(xué)1、滲流力學(xué)研究流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。它是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，又是流體力學(xué)與巖石力學(xué)、多孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學(xué)學(xué)科交叉滲透而形成的。它是多種科學(xué)和工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)之一。2、地下水地表以下巖石空隙中的水。狹義指的是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。3、地下水滲流力學(xué)研究地下水在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是滲流力學(xué)的一個(gè)分支。16ppt課件§2地下水滲流基本理論概述二、研究滲流的科學(xué)—滲流力學(xué)1地殼巖石中的水巖石“骨架”中的水（礦物結(jié)合水）沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12·nH2O)結(jié)晶水：石膏(CaSO42H2O)結(jié)構(gòu)水：高嶺石(Al4[Si4O10](OH)8)巖石空隙中的水結(jié)合水（礦物表面結(jié)合水）強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水液態(tài)水固態(tài)水氣態(tài)水重力水毛細(xì)水§2地下水滲流基本理論概述地下水滲流的重點(diǎn)研究對(duì)象17ppt課件地殼巖石中的水巖石“骨架”中的水沸石水：方沸石(Na2Al2§2地下水滲流基本理論概述地下水滲流力學(xué)與地下水動(dòng)力學(xué)的關(guān)系：目前來講是一致的。研究對(duì)象（地下水，主要是重力水）、研究內(nèi)容基本一致。不同點(diǎn)（個(gè)人觀點(diǎn)）：（1）研究的范圍。地下水動(dòng)力學(xué)—孔隙介質(zhì)；地下水滲流力學(xué)—巖石含水介質(zhì)。（2）理論基礎(chǔ)不同。地下水動(dòng)力學(xué)—達(dá)西定律；地下水滲流力學(xué)—包括一切流態(tài)（不滿足達(dá)西定律的層流及紊流）。這也是整個(gè)滲流力學(xué)的局限性：如何研究在一切含水介質(zhì)中的流體的運(yùn)動(dòng)（包括不滿足達(dá)西定律的層流及紊流），而非僅僅多孔介質(zhì)中的達(dá)西流。18ppt課件§2地下水滲流基本理論概述地下水滲流力學(xué)與地下水動(dòng)力學(xué)的關(guān)§2地下水滲流基本理論概述三、地下水滲流理論的核心1、連續(xù)介質(zhì)思想連續(xù)介質(zhì)思想包含連續(xù)流體和連續(xù)多孔介質(zhì)兩個(gè)部分。（1）連續(xù)流體把流體看成一種具有連續(xù)性的理想流體，實(shí)際上是假定在所占據(jù)的空間中流體密度是一種連續(xù)函數(shù)。這一概念是Euler在1755年提出的。后來發(fā)展成為三個(gè)假設(shè)條件：①假設(shè)水流的性質(zhì)（密度、粘滯性）與真實(shí)水流相同，充滿了既包括空隙也包括顆粒所占據(jù)的空間。②在任意巖石體積內(nèi)所受阻力與真實(shí)水流相等。③通過任一斷面的流量及任一點(diǎn)的壓力或水頭與真實(shí)水流相等。2010-9-11

19ppt課件§2地下水滲流基本理論概述三、地下水滲流理論的核心201（a）滲透（b）滲流（a）滲透§2地下水滲流基本理論概述20ppt課件（a）滲透（b）滲流（a）滲透§2地下水滲流基本理論概述2§2地下水滲流基本理論概述（2）連續(xù)介質(zhì)—典型單元體用滲流場中某單元體物理量的平均值近似代替整個(gè)滲流場的特征值，該單元體稱為典型單元體。連續(xù)介質(zhì)思想就是用一種假想的連續(xù)介質(zhì)（無結(jié)構(gòu)物質(zhì)）代替實(shí)際的多相流體或多孔介質(zhì)。在這種假想的連續(xù)介質(zhì)中，我們可以把運(yùn)動(dòng)變量、動(dòng)力參數(shù)及變量看成是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。因此我們就能夠運(yùn)用高等數(shù)學(xué)來研究流體在多孔介質(zhì)中的滲流運(yùn)動(dòng)。2、地下水狀態(tài)方程地下水的狀態(tài)方程實(shí)際上體現(xiàn)的是地下水的體積和密度與壓力之間關(guān)系的方程，即：V、ρ-p關(guān)系21ppt課件§2地下水滲流基本理論概述（2）連續(xù)介質(zhì)—典型單元體21p§2地下水滲流基本理論概述地下水壓縮方程—地下水是可以壓縮的：β—地下水的壓縮系數(shù)，β=1/E3、多孔介質(zhì)壓縮方程多孔介質(zhì)是可以壓縮的：α—多孔介質(zhì)壓縮系數(shù)22ppt課件§2地下水滲流基本理論概述地下水壓縮方程—地下水是可以壓縮§2地下水滲流基本理論概述4、達(dá)西定律—線性滲透定律Darcy,1856年，驗(yàn)證：

通過飽和土體斷面的流量Q與斷面面積A和水力梯度J成正比，比例系數(shù)為K，稱為“滲透系數(shù)”。注：達(dá)西定律反映了能量轉(zhuǎn)化與守恒，是地下水動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置23ppt課件§2地下水滲流基本理論概述4、達(dá)西定律—線性滲透定律達(dá)西實(shí)§2地下水滲流基本理論概述5、地下水連續(xù)性方程在滲流系統(tǒng)中的任何一個(gè)“局部”，流體運(yùn)動(dòng)必須遵守質(zhì)量守恒。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。物理含義：某一滲流場中，流入流出單元體的質(zhì)量差等于單元體內(nèi)液體質(zhì)量的變化。6、地下水滲流數(shù)學(xué)模型一個(gè)或一組數(shù)學(xué)方程與其定解條件加在一起，構(gòu)成一個(gè)描述某地下水滲流問題的數(shù)學(xué)模型。24ppt課件§2地下水滲流基本理論概述5、地下水連續(xù)性方程24ppt課

已知其中，為初始時(shí)刻地下水的水位，25ppt課件已知數(shù)學(xué)模型：§2地下水滲流基本理論概述26ppt課件數(shù)學(xué)模型：§2地下水滲流基本理論概述26ppt課件

四、地下水滲流研究方法

1、用力學(xué)和實(shí)驗(yàn)的方法研究地下水（1）流體力學(xué)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)方法描述流體平衡與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性。（2）水力學(xué)用流體力學(xué)的某些方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和觀測成果，分析水力現(xiàn)象的主要因素，以滿足工程的需要。以上兩種方法實(shí)質(zhì)：①實(shí)際問題→→物理模型（簡化過程）②物理模型→→數(shù)學(xué)模型（概化過程）③求解數(shù)學(xué)模型§2地下水滲流基本理論概述27ppt課件四、地下水滲流研究方法§2地下水滲流基本理論概述27pp（3）實(shí)驗(yàn)方法復(fù)雜條件下，理論方法不能解決時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法—實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M實(shí)際地下水條件，獲得近似的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停何锢砟M（相似模擬）、數(shù)值模擬（計(jì)算機(jī)模擬）2、求解與地下水有關(guān)數(shù)學(xué)模型的方法

解析法、數(shù)值法（數(shù)值模擬）?！?地下水滲流基本理論概述28ppt課件（3）實(shí)驗(yàn)方法§2地下水滲流基本理論概述28ppt課件

五、地下水滲流研究熱點(diǎn)1、細(xì)觀滲流的研究細(xì)觀滲流是指研究在微細(xì)尺度上(目前二維像素和三維像素的線尺度均在100μm以下)滲流的性狀。傳統(tǒng)的滲流是研究宏觀特性，即統(tǒng)計(jì)平均，不能確切了解多孔介質(zhì)內(nèi)部的物理化學(xué)過程及滲流機(jī)理。細(xì)觀與宏觀研究相互補(bǔ)充可使對(duì)滲流的認(rèn)識(shí)更加透徹。

2、流固耦合的研究

流固耦合的研究通常是將滲流力學(xué)與巖土力學(xué)結(jié)合起來，從而真實(shí)地反映流體與多孔介質(zhì)相互作用下的效應(yīng)。3、水庫誘發(fā)地震中的滲流問題水庫誘發(fā)地震的機(jī)制隨條件不同而有所區(qū)別。中國總震例數(shù)的50％為外部成因的水庫誘發(fā)地震。將滲流力學(xué)與巖土力學(xué)結(jié)合起來，深入研究水庫誘發(fā)地震機(jī)制，為地震預(yù)測預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)?！?地下水滲流基本理論概述29ppt課件五、地下水滲流研究熱點(diǎn)§2地下水滲流基本理論概述29pp4、輸運(yùn)過程的研究輸運(yùn)過程涉及地下水污染的防治、土壤的鹽堿化等領(lǐng)域。溶質(zhì)的輸運(yùn)造成地下水含有各種有機(jī)質(zhì)和無機(jī)化合物，使地下水惡化。溶質(zhì)輸運(yùn)過程的研究以費(fèi)克(Fick)擴(kuò)散定律和水動(dòng)力彌散理論為基礎(chǔ)。關(guān)于水動(dòng)力彌散理論已建立一些模型，如細(xì)管、毛細(xì)管束和網(wǎng)絡(luò)模型等。這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，均遠(yuǎn)未達(dá)到能精確而簡明描述的程度，水動(dòng)力彌散的概念和數(shù)學(xué)模型還有待進(jìn)一步完善。5、非線性滲流理論現(xiàn)代非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)發(fā)展很快，目前著重研究分叉和混沌、分形理論和孤子理論3個(gè)方面。在滲流力學(xué)領(lǐng)域主要涉及分叉和混沌以及分形理論。§2地下水滲流基本理論概述30ppt課件4、輸運(yùn)過程的研究§2地下水滲流基本理論概述30ppt課件另外，還有以下領(lǐng)域：1、地下水在裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)制和基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究；2、非飽和帶水運(yùn)動(dòng)理論研究；3、熱量（能）在地下水中的運(yùn)移研究；4、地下水最優(yōu)化管理方面的問題；5、介質(zhì)非均質(zhì)性研究；6、各種實(shí)際滲流問題的數(shù)值模擬技術(shù)研究（仿真性）。7、隨機(jī)理論在水流和溶質(zhì)運(yùn)移研究中的應(yīng)用。8、在含多組分溶質(zhì)的水流中Darcy’slaw的表達(dá)形式

……§2地下水滲流基本理論概述31ppt課件另外，還有以下領(lǐng)域：§2地下水滲流基本理論概述31ppt課一、煤礦巖體滲流基本理論地下水在含水介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，簡單可歸納為三類：第一類為地下水在孔隙介質(zhì)（多孔介質(zhì)）中的運(yùn)動(dòng)，第二類為地下水在裂隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，第三類是地下水在大裂隙和管道的流動(dòng)。介質(zhì)性質(zhì)的不同，決定了其滲流規(guī)律的不同。1、孔隙介質(zhì)滲流基本定律孔隙介質(zhì)是典型的多孔介質(zhì)，在大多數(shù)情況下，地下水滲流較好地符合達(dá)西定律（

雷諾數(shù)Re=1~10）。對(duì)于Re大于1~10的滲流，滲流速度V與水力坡度J不再成線性關(guān)系，此種情況多出現(xiàn)在發(fā)育較好的溶洞、泉水出口及礦井突水的某些階段。

§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀32ppt課件一、煤礦巖體滲流基本理論§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀32pp2、裂隙介質(zhì)滲流基本定律從本世紀(jì)50年代起，蘇聯(lián)學(xué)者就開始對(duì)裂隙水力學(xué)做試驗(yàn)研究，其后經(jīng)過許多學(xué)者的努力，基本搞清了裂隙巖體滲流的規(guī)律。主要有以下幾種滲流模型：（1）單一光滑裂隙的滲流模型對(duì)壁面光滑的細(xì)小縫隙，水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律為(Louis，1974)：式中：q—平均流速；Kf—裂隙滲透系數(shù)；Jf—裂隙水力坡度。式中：d—裂隙寬度；ν—運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)?！?礦井突水滲流研究現(xiàn)狀33ppt課件2、裂隙介質(zhì)滲流基本定律§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀33pp此時(shí)：，q與裂隙的寬度d的立方成比例，稱之為立方定理。（2）單一粗糙裂隙的滲流模型實(shí)際情況下，裂隙的隙壁是有一定粗糙度的，此時(shí)，裂隙的單寬流量與水力坡度不再符合立方定理。層流：Ломмзе公式：

Louis公式：

§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀34ppt課件此時(shí)：，q與裂隙的寬度d的立方紊流：Ломмзе公式：

Louis公式：式中：Δ—隙壁的絕對(duì)粗糙度，1.0~3.0mm；Δ/d—隙壁的相對(duì)粗糙度。層流公式適用雷諾數(shù)上限為600；紊流公式適用雷諾數(shù)上限為2300。雷諾數(shù)Re判別表達(dá)式：

式中：v—地下水滲流速度；d—含水層顆粒的平均粒徑；ν—地下水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)?！?礦井突水滲流研究現(xiàn)狀35ppt課件紊流：§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀35ppt課件（3）裂隙組的滲流模型Romm（1966）假定裂隙巖體為擬連續(xù)介質(zhì)體，水在整個(gè)巖體中的流動(dòng)用Darcy定律的形式：式中：d—裂隙的寬度改為裂隙間距。裂隙組滲透系數(shù)為：，對(duì)于寬度不等，不平行的裂隙流可以采用滲透張量變換與加權(quán)等方法處理。

Louis提出裂隙組滲透系數(shù)的表達(dá)式：式中：L—裂隙平均間距；Km—基質(zhì)巖塊的滲透系數(shù)?！?礦井突水滲流研究現(xiàn)狀36ppt課件（3）裂隙組的滲流模型§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀36ppt3、溶穴（管道）滲流規(guī)律巖溶區(qū)的地下暗河或地下水沿巨大的張開裂隙（某些張性斷層破碎帶）的流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是地下水集中，且在相當(dāng)大的范圍內(nèi)只有一個(gè)或幾個(gè)大裂隙或管道，流動(dòng)孤立，流速和流量大。由于對(duì)地下水在溶穴或斷層破碎帶等管道中的滲流規(guī)律在滲流力學(xué)中研究較少，可以借助水力學(xué)理論來研究此類滲流規(guī)律，常見的管道水力學(xué)計(jì)算公式：§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀37ppt課件3、溶穴（管道）滲流規(guī)律§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀37pp（1）Chezy公式Chezy公式一般用得比較少，但它是其它公式的基礎(chǔ)，包括Manning公式。Chezy公式表示為：Q—斷面水流量；C—Chezy糙率系數(shù)（m1/2/s）；A—斷面面積；R—水力半徑，過水?dāng)嗝娣e與濕周之比即為水力半徑。表達(dá)式：X為濕周，即過水?dāng)嗝嫔纤魉鶟駶櫟倪吔玳L度；S—水力坡度。根據(jù)需要也可以變換為其它表示方法。（2）Hazen-Williams公式Hazen-Williams公式是壓力管道最常用的水頭損失計(jì)算公式，該公式表達(dá)為：§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀38ppt課件（1）Chezy公式§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀38ppt課式中：C—Hazen-Williams糙率系數(shù)（無量綱）；k—常數(shù)，采用國際單位時(shí)為0.85。（3）Darcy-Weisbach公式由于Darcy-Weisbach是通過理論總結(jié)得到的公式，故也稱為理論公式。Darcy-Weisbach被用于許多要求計(jì)算精度較高的工程中。Darcy-Weisbach公式表達(dá)為：式中：ΔH—水頭損失；f—摩擦系數(shù)；l—管道長；d—管道內(nèi)直徑u—管道內(nèi)平均流速。§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀39ppt課件§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀39ppt課件二、煤礦突水滲流理論研究概況近些年，許多學(xué)者對(duì)煤層開采過程中礦井突水滲流作了研究。根據(jù)建立滲流模型所考慮的空隙介質(zhì)類型和數(shù)量，可分為單一空隙介質(zhì)滲流模型、雙重空隙介質(zhì)滲流模型和三重空隙介質(zhì)滲流模型。1、單一空隙介質(zhì)滲流模型包括包括等效連續(xù)介質(zhì)滲流模型和非連續(xù)介質(zhì)滲流模型。非連續(xù)介質(zhì)滲流模型是真正意義的裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型，它以巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)中的裂隙個(gè)體為研究對(duì)象，建立裂隙個(gè)體水流運(yùn)動(dòng)方程，將所有方程組合在一起從而可以確定裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流特征?！?礦井突水滲流研究現(xiàn)狀40ppt課件二、煤礦突水滲流理論研究概況§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀40p2、雙重空隙介質(zhì)滲流模型包括狹義和廣義兩種模型。。狹義雙重空隙介質(zhì)滲流模型雙重空隙介質(zhì)滲流模型又稱孔隙—裂隙介質(zhì)滲流模型。該模型認(rèn)為裂隙巖體是由儲(chǔ)水性差而導(dǎo)水性很強(qiáng)的裂隙系統(tǒng)和儲(chǔ)水性好而導(dǎo)水性弱的巖塊孔隙系統(tǒng)共同組成的的統(tǒng)一體。廣義的雙重介質(zhì)滲流模型是對(duì)狹義雙重介質(zhì)滲流理論的發(fā)展。該模型將裂隙巖體中的裂隙按對(duì)水滲流所起的作用劃分為主干裂隙和次要裂隙。主干裂隙是裂隙水的主要通道；次要裂隙主要起儲(chǔ)水作用。對(duì)主干裂隙網(wǎng)絡(luò)建立非連續(xù)介質(zhì)滲流模型，對(duì)次要裂隙網(wǎng)絡(luò)連同主干裂隙間巖塊中的孔隙建立等效連續(xù)介質(zhì)滲流模型，將二者有機(jī)地耦合在一起組成聯(lián)合模型?！?礦井突水滲流研究現(xiàn)狀41ppt課件2、雙重空隙介質(zhì)滲流模型§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀41pp3、三重空隙介質(zhì)滲流模型針對(duì)巖溶含水介質(zhì)空隙介質(zhì)的組成和空隙介質(zhì)的水動(dòng)力特征將巖溶裂隙巖石中的空隙分為三類：①孔隙介質(zhì)：主要起儲(chǔ)存、釋水作用，其水流遵循Darcy定律；②中寬裂隙和寬裂隙：起導(dǎo)水作用，其水流遵循裂隙滲流方程；③巖溶管道：起導(dǎo)水作用，但其水流呈非線性水動(dòng)力特征。引入了折算滲透系數(shù)的概念，將裂隙和巖溶管道在達(dá)西流和非達(dá)西流狀態(tài)下的滲透系數(shù)按不同方式折算成多孔介質(zhì)Darcy定律中的滲透系數(shù)，從而將達(dá)西流與非達(dá)西流耦合在同一個(gè)水流方程之中，建立了巖溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介質(zhì)地下水流模型。并將水在三類不同空隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)按多孔介質(zhì)滲流理論建立了統(tǒng)一地下水流控制方程?！臻g概念§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀42ppt課件3、三重空隙介質(zhì)滲流模型§3礦井突水滲流研究現(xiàn)狀42pp突水事故是我國煤礦的主要事故之一。隨著煤礦采深增大，充水含水層水壓增高，重大突水事故有增大的趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦80%的重大突水事故與構(gòu)造破碎帶(斷層及陷落柱)導(dǎo)水有關(guān)。事故調(diào)查顯示，許多構(gòu)造破碎帶突水事故有滯后性特點(diǎn)；即采掘剛揭露破碎帶時(shí)，不透水或出水較??；隨著時(shí)間的增長，透水量不斷增大，最后發(fā)展成為特大涌水量突水事故，尤其是在高水壓的條件下（≥5Mpa）。一、構(gòu)造破碎帶突水典型實(shí)例特征以下給出高水壓下構(gòu)造破碎帶突水典型事例8例（表1），發(fā)現(xiàn)隨著水壓增高，滯后型突水愈明顯、最大突水量總體呈增大的特征?！?高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究43ppt課件突水事故是我國煤礦的主要事故之一。隨著煤礦采深增大，充水含水§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究44ppt課件§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究44ppt課二、高水壓下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)研究1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及設(shè)備依據(jù)部分相似（幾何尺寸、充填物相似），用實(shí)際水壓設(shè)計(jì)斷層破碎帶突水試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄔ囼?yàn)過程中保持水壓不變）。充填物配置成分原形來自對(duì)充州東灘礦四采區(qū)1號(hào)斷層的井下調(diào)查和取樣分析（圖1、圖2），用石子、粗砂、鉆土的三種不同配比，模擬不同性質(zhì)構(gòu)造破碎帶充填物的情況（表2）?！?高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究

圖1四采區(qū)1#斷層帶現(xiàn)場情況圖45ppt課件二、高水壓下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)研究§4高水壓條件下§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究圖2模型試驗(yàn)的原型斷層示意圖46ppt課件§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究圖2模型試2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理試驗(yàn)測試了三種類型構(gòu)造破碎帶不同水壓下（1MPa、3MPa、5MPa）的突水量隨時(shí)間的變化。變化歷時(shí)曲線如圖3~圖5?！?高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究圖31#斷層不同突水壓力下的突水量變化曲線圖42#斷層不同突水壓力下的突水量變化曲線47ppt課件2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（1）突水的初始階段，水量較小，隨著承壓水對(duì)斷層破碎帶的不斷沖刷和擴(kuò)徑作用，突水量Q開始增大，當(dāng)斷層破碎帶中的泥、砂等細(xì)粒被沖刷掉以后，由于突水通道不再有明顯變化，突水量Q增幅趨于穩(wěn)定?！?高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究圖53#斷層不同突水壓力下的突水量變化曲線48ppt課件§4高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究圖53（2）突水量Q-t變化曲線中，每一條曲線都有水量增幅的跳躍，對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，就是滲流方式變化導(dǎo)致水量的變化。（3）突水量隨突水壓力Pw的增大（由1MPa~5MPa）而增大，隨著Pw的增大，滲流方式轉(zhuǎn)換的時(shí)間明顯縮短了。（4）由于充填物中組成不同（不同斷層性質(zhì)），相同水壓下，1#（張性）、2#、3#（壓性）斷層突水量依次減小。三、高水壓下構(gòu)造破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)換理論初步分析根據(jù)地下水在地下巖體不同介質(zhì)中的流態(tài)不同，可將地下水流分為三類：孔隙流、裂隙流、管道流。可用雷諾數(shù)大小值Re大致判斷，Re=1~10時(shí)，流體的流態(tài)為層流且滲流符合Darcy定律（達(dá)西流）;Re再大則會(huì)由達(dá)西流轉(zhuǎn)入層流或紊流，有些學(xué)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得層流轉(zhuǎn)換至紊流的臨界Re為100~300，巴甫洛夫斯基求得臨界Re為7~9?！?高水壓條件下斷層破碎帶突水滲流轉(zhuǎn)化機(jī)理研究49ppt課件（2）突水量Q-t變化曲線中，每一條曲線都有水量增幅的跳躍，根據(jù)試驗(yàn)所用充填物的平均粒徑、不同突水量時(shí)的滲流速度計(jì)