采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究.pdf

第4 5 卷第1 0 期 2 0 2 0 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 O c t ． N O ．1 0 2 0 2 0 移动阅读 张士川，李杨杨，李金平，等．采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 0 3 5 4 8 - 3 5 5 5 ． Z H A N GS h i c h u a n ，L IY a n g y a n g ，L IJ i n p i n g ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d i e so nv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a lp a r a m e t e r sd u r i n gw a t e ra n ds a n db u r s tt h r o u g hm i n i n gf r a c t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 0 3 5 4 8 3 5 5 5 ． 采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究 张士川1 ’2 ，李杨杨1 ’2 ⋯，李金平4 ，杨维弘1 ，王桂利3 ，文志杰1 ’2 ’3 1 ．山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛2 6 6 5 9 0 ；2 ．煤矿开采水资源保护与利用国家重点实验室，北 京1 0 0 0 5 3 ；3 ．山东能源l | 缶沂矿业集团有限责任公司，山东临沂2 7 6 0 1 7 ；4 ，江西星火军工工业有限公司，江西南昌3 3 1 7 0 0 摘要采动破断裂缝沟通上部浅埋松软岩层导致水砂混合物溃入井下，对矿井生产及相关工程设 施的安全造成严重的影响，因此，研究浅埋松软岩层采动裂隙突水溃砂机制对认清突水渍砂灾害本 质具有指导意义。首先，通过创建的裂隙内砂体突涌力学模型，分析了裂隙突水渍砂发生的极限平 衡条件。其次，利用突水溃砂试验系统，借助流量传感器和孔隙水压传感器进行了不同初始水压条 件下人工模拟裂隙内水砂溃涌试验，获得了流量、孔隙水压等参数变化特征，定量化分析了裂隙突 水溃砂各阶段内水砂运移特征及各物理参量关联性变化特征。试验结果表明裂隙内水砂溃涌全 过程可以划分为4 个阶段，即溃砂启动阶段、持续渍出阶段、淤积堵塞阶段和溃出平衡阶段。在第 1 阶段，流量瞬间增大，各监测点孔隙水压瞬间降低；在第2 阶段，水砂逐渐充满通道内径，孔隙水 压及流量基本保持不变；在第3 阶段，通道内砂体发生部分淤积，造成流量逐渐降低，孔隙水压逐渐 增大；在第4 阶段可分为2 种情况，一是当本阶段水压低于极限水压时突水溃砂停止，二是当高于 极限水压时水砂突涌持续并稳定。一定初始压力下，发生运移的砂体具有一定的空间范围，距裂隙 较远处孔隙水压的变化具有滞后性；随着初始压力的增大，裂隙通道砂体淤积堵塞所需时间降低， 导致砂体持续溃出时间降低；初始水压达到阙值后，裂隙内水砂溃出体积率达到峰值且水压稳定。 裂隙突水溃砂结束后，随着初始水压的增大砂体中部形成“塌陷坑”的空间分布范围存在增大的趋 势。 关键词突水渍砂；采动裂隙；浅埋煤层；地下水库；流量；孔隙水压 中图分类号T D 7 4 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 1 0 3 5 4 8 0 8 E x p e r i m e n t a ls t u d i e so nv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a lp a r a m e t e r s d u r i n gw a t e ra n ds a n db u r s tt h r o u g hm i n i n gf r a c t u r e s Z H A N GS h i c h u a n l ”，L IY a n g y a n 9 1 2 ⋯，L IJ i n p i n 9 4 ，Y A N GW e i h o n 9 1 ，W A N GG u i l i 3 ，W E NZ h i j i e l ’2 ’3 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o lC o - f o u n d e db yS h a n d o n gP r o v i n c ea n dt h eM i n i s t r yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n d o n g U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a ；2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c eP r o t e c t i o na n dU t i l i z a t i o ni nC o a lM i n i n g ，B e r i n g 1 0 0 0 5 3 ，C h i n a ；3 ．S h a n d o n gE n e r g yL i n y iM i n i n gG r o u pC o ．，L t d ．，L i n y i2 7 6 0 1 7 ，C h i n a ；4 ．J i a n g x is p a r kI n d u s t r yC o ．，L t d ．，N a n c h a n g 3 3 1 7 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t M i n i n gf r a c t u r e sc o a l e s c e sw i t hs h a l l o wb u r i e dc e m e n t e ds o f ts e a m ，w h i c hc a u s e sw a t e ra n ds a n dm i x t u r e 收稿1 3 期2 0 1 9 0 7 一1 1修回日期2 0 1 9 1 0 2 3责任编辑陶赛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 9 1 3 基金项目煤矿开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金资助项目 S H J T 一1 7 4 2 ．1 4 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 0 4 1 7 9 ；“泰 山学者”优势特色学科人才团队支持计划资助项目 作者简介张士J i I 1 9 8 9 一 ，男，山东济宁人，讲师，博士。E m a i l 3 7 3 2 6 0 1 8 6 q q ．c o n 通讯作者李杨杨 1 9 8 7 一 ，男，山东安丘人，讲师，博士。E - m a i l 1 y y l 9 8 7 7 1 8 1 2 6 ．c o n 万方数据 第1 0 期张士川I 等采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究 3 5 4 9 b u r s ti n t ou n d e r g r o u n dm i n e ．I th a sas e r i o u si m p a c to nt h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o na n dr e l a t e de n g i n e e r i n gf a c i l i t i e s ．S Oi ti Si n s t r u c t i v et os t u d yt h em e c h a n i s mo fw a t e ra n ds a n db u r s tc a u s e db ym i n i n gf r a c t u r e si ns h a l l o wb u r i e d c e m e n t e ds o f ts e a mf o ru n d e r s t a n d i n gt h ee s s e n c eo ft h ed i s a s t e r ．F i r s t l y ，t h el i m i te q u i l i b r i u mc o n d i t i o n so fw a t e ra n d s a n db u r s ti nf r a c t u r e sa r ea n a l y z e dt h r o u g ht h em e c h a n i c sm o d e lo fs a n db o d yi n r u s hi nf r a c t u r e s ．S e c o n d l y ，b yu s i n g t h et e s ts y s t e mf o rw a t e ra n ds a n db u r s t ，f l o ws e n s o r sa n dp o r ew a t e rp r e s s u r es e n s o r s ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f w a t e ra n ds a n db u r s ti nf r a c t u r e su n d e rd i f f e r e n ti n i t i a lw a t e rp r e s s u r e sa r ec a r r i e do u t ．T h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f l o wr a t e ，p o r ew a t e rp r e s s u r ea n do t h e rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i si sm a d eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f w a t e ra n ds a n dm i g r a t i o na n dc o r r e l a t i o nc h a n g e so fp h y s i c a lp a r a m e t e r si nd i f f e r e n ts t a g e so fw a t e ra n ds a n db u r s ．T h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ew h o l ep r o c e s so fw a t e ra n ds a n db u r s ti nf r a c t u r e sc a nb ed i v i d e di n t o4s t a g e s ，n a m e l y ，s t a r t u ps t a g e ，c o n t i n u o u so u t b u r s ts t a g e ，s i l tb l o c k a g es t a g ea n do u t b u r s te q u i l i b r i u ms t a g e ．I nt h ef i r s ts t a g e ，t h ef l o wr a t e i n c r e a s e si n s t a n t a n e o u s l ya n dt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ed e c r e a s e si n s t a n t a n e o u s l y ．I nt h es e c o n ds t a g e ，w a t e ra n ds a n d g r a d u a l l yf i l lt h ec h a n n e l ，a n dt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dw a t e rf l o wr a t e a r eb a s i c a l l ys t a b l e ．I nt h et h i r ds t a g e ，t h e s a n db o d yi nt h ec h a n n e li sp a r t i a l l ys i l t e d ，r e s u l t i n gi nag r a d u a ld e c r e a s ei nf l o wr a t ea n da ni n c r e a s ei np o r ew a t e r p r e s s u r e ．I nt h ef o u r t hs t a g e ，i tc a nb ed i v i d e di n t ot w os i t u a t i o n s f i r s t ，w h e nt h ew a t e rp r e s s u r ei sl o w e rt h a nt h el i m i t w a t e rp r e s s u r e ，t h ew a t e ra n ds a n db u r s ts t o p s ；s e c o n d ，w h e nt h ew a t e rp r e s s u r ei sh i g h e rt h a nt h el i m i tw a t e rp r e s s u r e ， t h ew a t e ra n ds a n dc o n t i n u o u so u t b u r s ta n dr e m a i n sc o n s i s t e n t ．W i t h i nac e r t a i nr a n g eo fi n i t i a lp r e s s u r e ，s a n db o d y m i g r a t i o ni nac e r t a i ns p a t i a lr a n g ea n dt h ed a t ac h a n g eo fp o r ew a t e rp r e s s u r ef a rf r o mt h ec h a n n e li sl a g g i n gb e h i n d ． W i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a lp r e s s u r e ，t h et i m er e q u i r e df o rs i l t a t i o na n db l o c k a g ed e c r e a s e s ，w h i c hl e a d st ot h ed e c r e a s e o ft h ed u r a t i o no fs a n do u t b u r s t ．W h e nt h ei n i t i a lw a t e rp r e s s u r er e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h ev o l u m er a t i oo fw a t e ra n d s a n do u t b u r s ti nt h ef r a c t u r er e a c h e si t sp e a kv a l u ea n dt h ew a t e rp r e s s u r es t a b i l i t y ．A f t e rt h et e s t ，w i t ht h ei n c r e a s eo f i n i t i a lw a t e rp r e s s u r e ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nr a n g eo f “c o l l a p s ep i t ”i nt h em i d d l eo ft e s tc h a m b e rt e n d st oi n c r e a s e ． K e yw o r d s w a t e ra n ds a n db u r s t ；m i n i n gf r a c t u r e ；s h a l l o wc o a ls e a m ；g r o u n d w a t e rr e s e r v o i r ；f l o w ；p o r ew a t e rp r e s s u r e 与东部矿区相比，我国西部矿区生态环境较为脆 弱，大规模、高强度地下开采导致西部矿区水资源破 坏加剧≈J 。针对该问题，国家能源集团近几年提出 了煤矿分布式地下水库的概念用以解决西部矿区水 资源保护及利用的技术问题p “一，即利用采空区内垮 落遗留空间及裂隙区域储存矿井水。然而西部地区 煤层上部存在浅埋松软岩层，其顶板岩层的运动及范 围在横向、纵向上尤为敏感和强烈，实际开采过程中 覆岩也难以形成大的结构，岩体移动变形较为显著， 垮落带及导水 砂 裂缝带发育充分，采动破断裂缝 甚至可直接沟通地表，形成较大规模的地裂缝，导致 含水覆岩层及砂层下的潜水溃人井下一‘9J ，大量的砂 体影响煤柱的稳定性，降低地下水库储水量，对水库 的长期稳定性及安全性造成较大影响。因此，针对煤 矿裂隙溃水溃砂规律展开研究不仅涉及地下水库稳 定问题，同时对矿井安全生产具有重要意义。 煤层开采形成的导通裂隙或者垮落带直接或间 接导通松散含水砂层，形成突水溃砂通道是发生此类 灾害的必要条件。由于煤矿采掘工程隐蔽性的特性， 利用现场观测的手段研究裂隙突水溃砂机制较为困 难，砂体离散的特殊性使得数值模拟和理论分析手段 的应用具有局限性0 I ，因此，较多学者借助室内模拟 手段对突水溃砂机制进行探讨研究。Y A N 等利 用物理模拟试验分析了神东矿区大采高工作面上方 地表“阶梯状”裂隙的分布特征，建立了溃砂灾害模 型。X U 等引认为浅埋煤层风化基岩的采动裂隙在 高压水流作用下通透性发生改变，为灾害发生提供条 件。隋旺华等‘1 3 - 1 4 ] 采用采动裂隙水砂突涌试验获得 采空区上覆松散层发生突水溃砂的临界水力坡度、砂 体粒度和裂缝尺寸之间的关系；利用开采沉陷离心模 型试验研究发现孔隙水压力可以作为近松散含水层 开采溃砂灾害的前兆信息源。张杰等5 。通过破断岩 块滤沙实验得出了不发生溃砂的最小岩块端角接触 面高度。王家臣等刮利用室内试验研究了水砂降低 块间摩擦因数的作用机理，探讨了突水溃砂的关键 问题。国外煤矿领域针对突水溃砂方面的研究较少， 大多集中于砂岩层石油开采方面Ⅲ一8 I 。然而受试验 条件的影响，水砂混合物在裂隙中的运移特征方面研 究较少，尤其在突水溃砂灾害发生过程中水压、流量、 孔隙水压及砂体运移空间形态方面仍需要深入研究 和探讨。 针对上述科学问题，笔者分析了裂隙突水溃砂发 生的极限平衡条件，初步探讨了裂隙突水溃砂机制； 利用突水溃砂试验系统进行了不同初始水压条件下 Ⅲ石 万方数据 3 5 5 0 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 人工模拟裂隙内水砂溃涌试验，定量化分析了裂隙突 水溃砂各阶段内水砂运移特征及各物理参量关联性 变化特征，为开展浅埋松软地层环境下采动裂隙突水 溃砂机制的研究提供参考。 1 裂隙突水溃砂发生条件分析 1 ．1 突水溃砂发生因素 采动裂隙内发生突水溃砂的条件和机理相对复 杂，与裂隙特征 宽度、粗糙度、岩性等 [ J 9 1 、水砂混合 物特征 粒径、组分、砂体形态等 、动力源 水源分 布、水力坡度等 、开采强度等众多因素有关。经过 众多试验和现场结果，突水溃砂灾害的发生主要由以 下4 个因素决定ⅢJ 1 物源。覆岩含水层中含有大于2 5 0m m 的粉 细砂岩； 2 动力源。覆岩含水层的富水性强，裂隙内的 水力坡度大于临界水力坡度； 3 通道。足够容纳水砂混合物的裂隙或导通 构造； 4 容纳空间。拥有足够的空间容纳水砂混合 物，如采空区、巷道。 1 ．2 突水溃砂发生条件分析 将裂隙内的水砂混合物运移过程简化为圆柱体 水砂运移过程，建立裂隙内砂体突涌力学模型，如图 l 所示。 图1裂隙内砂体突涌力学模型 F i g ．1 M e c h a n i c sm o d e lo fs a n db o d yi n r u s hi nf r a c t u r e s 选取单位长度 h h 1 裂隙内a a ’b b ’砂体为研究 对象，对砂体突涌条件进行分析。当砂体在裂隙内达 到应力平衡条件时，则水砂混合物所受重力、拖曳力、 覆岩压力、砂体黏结力需满足定量的关系。 砂体a a ’b b ’的重力G 由砂子与水两部分重力组 成，G J D 。K p 。n g ，即G P 。印。n K g ，则 G 7 r g p 。n P 。 A h d 2 ／4 1 式中，P 。为水体密度；P 。为砂体密度；n 为水体积； K 为砂体积；g 为重力加速度；d 为裂隙宽度；h h 为 单元体的高度；n 为砂体孔隙率。 裂隙突水溃砂过程中，下部的砂体流速往往大于 上部砂体流速，受水流影响顶部砂体对底部砂体造成 的压力差产生拖曳力。由文献[ 2 1 ] 泥沙颗粒受力情 况可知砂体a a ’b b ’承受拖曳力R 心为 F L 1 T c L d 2 p 。u ；／4 2 式中，U 。为初始流速；C 。为上举力系数，与砂体周围 水流的绕流流态相关，具体的数值也随‰确定方法 的不同而异。 砂体a a ’b b ’上覆岩层应力主要包括静水压力及 上覆砂体重力，即裂隙通道截面内上部水压及砂体重 力，则承载力F ，为 F 。 P 0 P 。g h 叮r 扩／4 3 式中，P 0 为初始水压力；h 为通道至地表的垂直距 离。 砂体a a ’b b ’与裂隙环向接触面切应力可表示为 T O 1 s i n 妒 ，则水砂体与裂隙接触面切向应力，。 为 F 。 r r d h h z o 1 s i n 妒 4 式中，‰为初始切应力；妒为内摩擦角。 由于砂体粒径较小，砂体之间的黏结力在突水溃 砂过程相对较小，可以忽略不计。考虑水体的影响， 水砂体在裂隙通道的突涌条件为G F 。 ，。≥F 。。 砂体达到平衡时的条件为 G 凡 F 。 F 。 5 由式 1 ～ 5 可得出考虑水对砂体作用的应力 平衡状态下水砂通道的极限水压力为 P j 兰孚 1 s i n 妒 一y 。n y 。 1 | 1 1 一C ￡T w U o a g 6 式中，y 。为水的容重；y 。为砂体容重。 由式 6 可以看出，当裂隙宽度固定时，初始水 压力越高，细沙颗粒越规则；沙层厚度、砂体孔隙率越 大，砂体初始流速越高，裂隙越容易发生突水溃砂现 象。 2 突水溃砂试验设计 2 ．1 突水溃砂试验系统简介 试验选用由山东科技大学研制的突水溃砂试验 系统，该系统的实验部分由承压水仓兼加载压头、试 验舱、承载底座及瞬时开启装置等5 部分组成心1 | ，该 系统实物及结构示意图如图2 所示。 系统承压水仓兼加载压头呈圆柱状并连接储水 罐和加载油缸，不仅可以保证压头内盛装有满足一定 万方数据 第1 0 期张土川等采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究 3 5 5 a 糸统实物 b 装备不总 图2系统实验部分结构旧“ F i g ．2S y s t e ms l l ，u h i r e 1 i a g t a mo fe x I l P r i m e m a lp a 一二1 压力和流量的承压水，同时兼做试验舱内实验材料的 加载压头。为了实现对实验过程的定量化分析，该装 置外侧连接流量计和水压传感器，用以监测试验过程 中试验舱内部水压及流量的变化。试验舱为内径 4 0 01 1 1 1 1 1 、高度3 8 0I l l I I I 、壁厚1 5l l l l n 的不锈钢筒，试验 开始前通过密封圈及螺栓将试验舱与承载底座连接， 试验舱内部放置试验材料。承载底座中心位置设置 有不同尺寸的水砂涌出通道，用以模拟不同宽度的裂 隙。通道出口下方安置有蝶阀作为水砂通道的瞬时 开启装置，用以模拟裂隙与采场内部空间的贯通。为 了监测实验过程中水砂涌出通道的附近不同位置处 水压的变化规律卜㈠，距离承压底座中心7 5 ，1 0 5 ，1 3 5 和1 6 51 1 1 I l l 位置处安装B S 一1 型孔隙水压传感器，如 图3 所示。为了，保证试验过程各连接部位的密封性， 在各滑动连接处、螺栓固定处均设置有密封垫圈，同 时传感器和水砂通道与承压底座的连接处利用密封 胶固定。 突水溃砂试验系统具有以下特点试验最大水压 为4M P a 并可实现试验全过程保压，精度可达 0 ．0 1M P a ；试验最大供水流量为4 lm L ／s ，精度 0 ．0 41 1 1 L ／s ；可实现试验全过程的数字化控制，系统装 配有位移、加载压力、水压和流量传感器，可实现各参 量的实时监测。该试验系统．1 作原理及详细参数可 参阅文献[ 2 2 ] 。 2 ．2 试验方案 2 ．2 ．1 试验材料选取 若将浅埋松软地层采动覆岩形成的水砂通道看 作存储仓的排料口，那么水砂突涌的过程就相当于l 罔3 承载底座布置示意“l F i g ．3 S 4 m m a t i d i a g r a mo t ’b e a r i n gp e d e s t ￡d 川 个装着水砂混合物的存储仓通过排料I ] 向垮落空问 或采掘工作面排出水砂混合物I ”。这种水砂混合物 往往为大量的细沙 大于7 5 ％ 掺杂一定量的砾石和 卵石类粗颗粒，因此，为r 提高试验结果监测精度，本 次试验材料选用洗净的河沙和液态水混合而成。选 用≤0 ．3I I l l l l 的筛网对干燥状况下的河沙进行筛分。 经测定干河沙的物理参数见表1 。 表l 河沙部分物理参数 T a b l e1P a r to fp h y s i c a lp a r a m e t e r so fs a n d 2 ．2 ．2 试验方案及步骤 突水溃砂模拟试验具体实施方案及步骤 1 筛选洗净河沙样品作为试验材料，称量足量 的河沙备用； 2 将孔径为5i i l n l 的水砂通道模具安置于承载 底座中心； 3 将检测合格的孑L 隙水压力传感器安放在承 压底座传感器安装槽内，并在接触面涂抹一圈密封 胶，将传感器与D H 3 8 1 6 N 静态应变测试系统相连接； 4 将试验舱放置于承载底座上，在两者之间放 置密封圈并用螺栓紧固； 5 关闭瞬时开启装置，将河沙与黏土混合物装 入试验舱至设计高度2 0 0m n ，，静置8h 后开始试验； 6 启动实验系统，将承压水仓兼加载压头卜部 的排气孔打开，将压头降至与试验舱内的水面基本接 触的位置并使之保持位移恒定； 7 关闭排气孔，开启试验系统水压控制模式， 万方数据 煤炭学报 将试验舱内水压分别保持在0 ．0 5 ，0 ．1 0 ，0 ．1 5 ，0 ．2 0 ， 0 ．3 0M P a ，共计5 组试验方案； 8 快速打开试验舱下部瞬时开关装置，实时监 测并采集水压和水砂流量在试验过程中的随时问的 变化。 3 突水溃砂试验结果分析 3 ．1 灾变过程水压、流量变化特征 3 ．1 ．1 突水溃砂阶段性特征 当试验舱内水压保持在0 ．0 5M P a 情况下，打开 瞬时开启装置后大量的水砂混合物自承载底座中部 5l ／l l n 的水砂通道涌出，该阶段试验舱内水压、流量随 时问的变化曲线如图4 所示。突水溃砂的过程可分 为4 个阶段，以图4 为例分析可知第1 阶段为溃砂 启动阶段，通道开启瞬问突水溃砂通道形成，通道内 水砂渐进式溃出 图5 ，1 0S 后流量急剧增大到最大 值4 1 ．6m L ／s ，试验舱压力降低至0 ．0 4M P a 。第2 阶 段为持续溃出阶段，通道打开1 0S 后大量的水砂混 合物持续性的向通道外溃出，该过程水压基本保持不 变，流量维持在3 8m 1 3 s 左右长达1 0 0S ，随后出现突 然降低后再次升高至3 8m L ／s 左右，町以认为 0 ．0 5M P a 情况下包含2 个第2 阶段。第3 阶段为淤 积堵塞阶段，水砂溃出量逐渐减少，流量持续性降低， 水压出现波动。第4 阶段为溃出平衡阶段，当水胍在 0 ．0 5M P a 情况下，水砂混合物完全将通道封闭，流量 降低至0 ，试验舱内开扁保压状态，水压持续升至 0 ．0 5M P a ；当水』最大于0 ．2M P a 时 图6 ，水砂混合 物持续溃出，流量和水压维持在一定范围内波动。 0 ．0 6 0 0 ．0 5 5 0 ．0 5 0 日O ．0 4 5 { o ．0 4 0 j ￡ 0 ．0 3 5 、、 i 『 0 J I ⋯．．k ⋯ 一； ⋯舢脚 ／誓掣PJ i I s ． 05 01 0 05 02 0 02 5 3 0 03 5 04 I 纠4 0 ．0 5M P a 条件下水』E 、流与l 变化曲线 i g ．4 ～a r i a l i o no f ’w a i l 1 ’p i e s s t i r el i n d t ] o w [ 1 l l d e l l0 ．0 5M I ’a 因此，整个突水溃砂过程可以概括为溃砂启动一 持续溃出一淤积堵塞一溃出平衡4 个阶段。在溃砂 图5 通道突水溃砂 F i g ．5 W a t e ra n ds a l l db u r s t i l i gf r o me h a l l n e 0 ．1 5 0 叠 差o1 2 5 妥 一1 1 , 8 O1 0M P 8 ‘’I ■ 1 ，L ⋯、砒Ir l j 一 ’。l ●。 ‘‘∥⋯ 4 0 ， 管 J 2 0 要 捌 媛 寸l i i J ／s d 0 ．3 0 M P a I 冬16不同初始水压条件下水压、流城变化曲线 i g ．6 V a i ’i a t i o no tw a t e rI n ’e s s t l l ea n If l o wu 小l e r d i f f e r e n ti n i t i a lw a t e i ‘I n l e s s u r ec o n d i t i o i I S 启动阶段，通道瞬问开启前，通道内水砂混合物受舱 压和重力影响瞬间涌出，水砂通过率达到最大导致流 量骤增。在持续溃出阶段，水砂逐渐充满通道内径， 通过阻力逐渐增大造成流量逐渐降低。在淤积堵塞 阶段，试验舱内水压力低于极限水压力P 。造成较小 粒径的砂体在水流带动下淤积于通道口，使得通道内 水沙流量降低。溃出平衡阶段分为2 种情况一是本 阶段内水压低于极限水压力 约0 ．2M P a 时突水溃 万方数据 第1 0 期张f l 等采动裂隙突水溃砂过程物理参鲑变化特征试验研究 3 5 5 3 砂现象消失；二是本阶段内水压高于极限水压力时， 水砂混合物持续溃出，流量基本稳定。 3 ．1 ．2 不同初始水压条件下突水溃砂特征 图6 为不同初始水压条件下试验舱内水压、流量 变化曲线，不同初始水压条件下水砂溃出模式仍可以 分为4 个阶段，但在第4 阶段内流趟的变化特征存在 明显的不同。当试验舱水压小于0 ．1 5M I ’a 时，水砂 混合物淤积通道内导致其封闭，流量降低至0 ；当水 压大于0 ．2M P a 后，在第Ⅲ阶段通道内通过阻力无 法抗拒水压的影响，造成水砂混合物持续性的溃出， 在第4 阶段出现平稳性水砂溃出的现象，如图6 中 0 ．2M P a 和0 ．3M P a 流造变化曲线所示。 不同初始水压条件下各组试验第2 阶段水压持 续溃出时间和试验舱内最大水压差 舱内初始水压 值与最低值之差 存在规律性的变化趋势，如图7 所 示。随着舱内初始水压值的增大，第2 阶段持续溃出 阶段持续时间呈现对数形式骤降，这是因为压力较大 条件下水砂混合物在通道内的涌出速度较大，通道内 阻力增幅所消耗的日, f 1 1 ；；i 】降低，淤积所需时间随之降低 进而造成该现象的发生。随着初始水压值的增大，试 验舱内最大水压差在0 ．2M P a 之前呈现线性增加的 趋势，0 ．2 ～0 ．3M P a 不再发生变化。表明在某一阈 值水压范围内随着水砂混合物持续性的溃出，试验舱 内压力差呈现线性降低趋势；水压超过该阈值，该通 道内水砂溃出体积率达到峰值，水压不再发牛变化， 同时流量也具有相同的变化趋势。上述试验表明，当 裂隙宽度固定时，初始水压越大，突水溃砂发生越剧 烈，这与式 6 理沦计算结果一致。 刚7 第Ⅱ阶段持续溃出时M 及最大，K 胝差变化趋势 F i g ．7 ＼ a r i a l i l l l lf l e n do l ’Sz ．1 n d o u l b u Is lt i i n i la n dI I I [ t X i n l [ I I l l 、, ％I t l l t q ’p i ‘P S ’, L I I ’Pd i f G l P I l C ei ns I a g eI I 3 ．2 灾变过程孔隙水压变化规律分析 孔隙水压传感器位于试验舱底部并固定于承载 底座中，其中编号为l ，2 ，3 和4 号的传感器距水砂通 道中心分别为7 5 ．1 0 5 ，1 3 5 和1 6 51 1 1 1 1 1 ，如图3 所示j 试验过程中监测到的不同初始水压下孔隙水压分布 曲线如图8 所示。0 ．3M I ’a 条件下各传感器监测数 据变化特征及各阶段所占比例与0 ．2M P a 相近，因 此，仪对后者数据进行分析。通道开肩后突水溃砂通 道形成，不同初始水压下不同位置的孔隙水压传感器 监测数据骤降；进入第3 阶段后，水砂通道堵塞，试验 舱内水压升高导致传感器监测数据短f t , 寸l H l 内升高；进 入第4 阶段，试验机保压速率大于稳定溃砂速率，导 致各传感器监测数据平稳波动。 阪夏污藏一焉吾歪污洇一l 弓一2 号一3 J 一4 { ； 蛊 乏 出 芒 餐 高 图8不I 词初始水压F 孔隙水J 矗随时问变化曲线 1 1 1 i g ．8 P o l ‘ew a l c q ‘I I ’P S S I I I rw i t ht i n l e ‘L 1 1 1 V f f SL m d e l ’d i 胁r e n l i n i t i a lW [ I I e l l1