亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)谭蔷€性滲流的試驗研究

        2017-05-16 08:59:06倪曉燕陳占清
        菏澤學(xué)院學(xué)報 2017年2期
        關(guān)鍵詞:突水巖樣滲流

        倪曉燕,陳占清,龔 鵬

        (1. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

        含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)谭蔷€性滲流的試驗研究

        倪曉燕1,2,陳占清2,龔 鵬2

        (1. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

        砂巖是煤系地層中主要的含水層之一,砂巖的非Darcy流滲透特性參量的變化規(guī)律是揭示煤礦突水機理的基礎(chǔ).本文通過歸納分析了非Darcy流滲透特性參數(shù)的由來和具體的物理意義,利用自主研發(fā)的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)配合使用MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)對含水層砂巖試樣進行了非Darcy流滲透性測試.得到了砂巖試樣的滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù).研究結(jié)果表明:在彈性階段,滲透率減小,加速度系數(shù)增大,在軸向應(yīng)變?yōu)?.0%附近,滲透率最小,加速度系數(shù)最大.在峰值應(yīng)力狀態(tài)下,非Darcy因子β最小.滲透率與加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以用冪乘函數(shù)描述;滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系可以用ExpDec模型描述;非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以用BoxLucas模型描述.

        含水層砂巖;非Darcy流;滲透率;非Darcy流β因子;加速度系數(shù)

        引言

        砂巖是一種沉積巖石,是碎屑物經(jīng)過壓實、膠結(jié)、溶解等作用轉(zhuǎn)變形成的,是煤系地層中主要的含水層之一.煤層開采后,煤層及其底板的塑性區(qū)持續(xù)擴大,當(dāng)工作面推進一定距離后,采空區(qū)與含水層周圍的塑性區(qū)相向靠攏;一旦出現(xiàn)從含水層至采空區(qū)的貫通裂隙,含水層中的水將沿著裂隙帶涌向采空區(qū),發(fā)生突水災(zāi)害.據(jù)初步統(tǒng)計,我國600處國有重點煤礦中受水害威脅的礦井達285處,占47.5%,受水害威脅的儲量達250億t[1].隨著煤礦開采深度的增大,綜合機械化采煤、放頂煤技術(shù)的普遍應(yīng)用,水害對綜合工作面生產(chǎn)的影響日益突出[2~5].深入揭示突水機理,對于煤礦安全生產(chǎn)具有積極的意義.

        為了防治突水災(zāi)害,半個多世紀(jì)以來,學(xué)者們對煤礦突水機理開展了大量研究[2,6~8],提出了各種突水判據(jù)和理論模型,如 “下三帶”理論、原位張裂和零位破壞理論、關(guān)鍵層理論、突水優(yōu)勢面理論、突變及非線性模型、流固耦合理論、滲流失穩(wěn)理論等,這些理論模型均為煤礦突水災(zāi)害防治做出了積極的貢獻.滲流失穩(wěn)理論是近年發(fā)展較為迅速、應(yīng)用較為廣泛的理論模型之一[9~11].

        滲流失穩(wěn)理論認為,非線性滲流系統(tǒng)在頂?shù)装鍧B透性參量(滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù))和邊界壓力的初始值滿足一定條件時,發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(即發(fā)生分岔),而突水是滲流失穩(wěn)的體現(xiàn).因此,研究頂?shù)装迳皫r滲透性參量的變化規(guī)律是揭示突水機理的基礎(chǔ).

        本文通過總結(jié)歸納非Darcy流滲透特性參數(shù)的由來和物理意義,并根據(jù)自主研制的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)配合使用MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)對含水層砂巖試樣進行滲透試驗,研究應(yīng)力應(yīng)變?nèi)毯畬由皫r的非Darcy滲透特性參量變化規(guī)律.

        1 巖石非Darcy流滲透特性參數(shù)

        巖石的滲透性是指在一定的壓力梯度作用下,巖石中孔隙和裂隙透過水的能力,間接地反映了巖石中孔隙和裂隙間相互貫通的程度.描述巖石滲透性的力學(xué)指標(biāo)稱為滲透特性.

        對于采動巖體的滲流,滲流速度和孔隙壓力梯度不再是線性關(guān)系,不服從Darcy定律,為非線性流動即非Darcy流動.荷蘭學(xué)者Philippe Forcheheimer[12]認為這種非線性是由于流體在多孔介質(zhì)中的慣性效應(yīng)引起的,F(xiàn)orchheimer將非線性系數(shù)定為“a”.

        (1)

        其中,p為孔隙壓力,k為巖石非Darcy流動的滲透率,μ為滲流液體的動力粘度,v是滲流速度.

        Cornel和Katz給系數(shù)“a”賦值“βρ”,Cornel和Katz是首次提出β因子的學(xué)者[13].

        (2)

        其中,ρ為滲流液體的密度,β為非Darcy流β因子,也稱為非Darcy流系數(shù),慣性因子,慣性系數(shù),紊流因子.學(xué)者們一致認為,β因子是孔隙介質(zhì)的固有特性之一,可由實驗室測定.β因子反映滲流的非線性性質(zhì).

        對于一般速度下的非穩(wěn)態(tài)滲流,去掉對流項,運動方程變?yōu)閇14].

        (3)

        其中,φ是巖石的孔隙度,g為重力加速度,▽p為孔隙壓力差.

        (4)

        對于普遍的Darcy定律而言,式(4)稱之為加速度修正方程.其中ca稱為加速度系數(shù),它是個常數(shù),敏感地依賴于多孔介質(zhì)的幾何特性且主要由最大截面積毛細管的性質(zhì)所確定.這是因為在細窄的毛細管中瞬變迅速衰減.

        對于非穩(wěn)態(tài)的(時變的)非Darcy滲流過程,孔隙壓力梯度與滲流速度滿足如下關(guān)系[16]

        (5)

        2 試驗概述

        2.1 試驗系統(tǒng)

        自主研發(fā)的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)由軸向加載和控制系統(tǒng)、滲透回路(包括滲透儀)、圍壓回路、和信號采集與處理系統(tǒng)四部分組成.可以為軸向載荷與圍壓共同作用下的巖樣兩端提供不同的壓力(初始壓差),滲透過程中壓差信號可以記錄、整理和分析.軸向加載和控制系統(tǒng)由MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)實現(xiàn).滲透回路由滲透儀、手搖試壓泵、壓力表、壓力傳感器、壓力容器、手動截止閥、軟管、接頭等組成.圍壓回路由齒輪泵、節(jié)流閥、溢流閥、換向閥、冷卻管及軟管等組成.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由無紙記錄儀、靜態(tài)應(yīng)變儀、計算機等組成,可以實時采集試驗過程中的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、圍壓及滲透壓力數(shù)值.試驗系統(tǒng)實物圖見圖1.

        圖1 試驗系統(tǒng)

        2.2 試驗方法

        為保證試驗結(jié)果的可靠性,避免因為試樣的個體差異而導(dǎo)致的試驗數(shù)據(jù)高度離散,對材質(zhì)均勻一致的同一砂巖巖塊進行密集采樣并剔除有明顯宏觀裂紋和節(jié)理的試樣,并對試樣端面進行研磨剖光,制備成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣φ50 mm×100 mm.

        在彈性階段,圍壓恒定保持6 MPa,預(yù)先設(shè)置4個應(yīng)變值:ε1=0.4%,ε1=0.8%,ε1=1.0%,ε1=1.2%.按照應(yīng)變增加的方向進行加載.每次當(dāng)應(yīng)變達到預(yù)設(shè)的各應(yīng)變值時,利用MTS816.02試驗機保持巖樣軸向位移不變,對當(dāng)前應(yīng)變狀態(tài)下的巖樣進行滲透試驗.此過程結(jié)束后,繼續(xù)加載直至巖樣峰值應(yīng)力狀態(tài),該應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)變值由MTS816.02 MPT Procedure Editor模塊中的 Failure Detector 命令進行捕捉,巖樣應(yīng)力達到峰值時,觸發(fā)此命令.在巖樣進入峰后塑性階段,控制軸向壓力和圍壓同時變化來實現(xiàn)巖樣峰后復(fù)雜應(yīng)力路徑的加載.對巖樣峰值應(yīng)變和峰后塑性區(qū)每個應(yīng)力狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)變值分別進行滲透試驗.圖2是試驗過程中軸向應(yīng)力和圍壓數(shù)值.

        圖2 軸向應(yīng)力和圍壓數(shù)值

        3 試驗結(jié)果及分析

        對采自山西礦區(qū)的砂巖試樣在預(yù)設(shè)應(yīng)變下進行了瞬態(tài)滲透試驗,巖樣高度為99.86 mm,截面直徑為49.53 mm,圍壓設(shè)定為6 MPa.滲透的流體介質(zhì)為自來水,在室溫為20 ℃時質(zhì)量密度為ρ=1 000 kg/m2,動力黏度為μ=1.01×10-2Pa·s,壓縮系數(shù)為Cf=0.556×10-9Pa-2.利用試驗過程中采集的孔隙壓力梯度時間序列計算出巖樣非Darcy流的滲透特性(滲透系數(shù)k,非Darcy流β因子,加速度系數(shù)ca,巖樣的滲透試驗結(jié)果如表1所示.當(dāng)ε1=1.4%的時候,巖樣達到峰值并開始進入塑性狀態(tài).

        表1砂巖試驗應(yīng)力應(yīng)變?nèi)痰姆荄arcy流滲透特性

        (a)滲透率 (b)非Darcy流因子和加速度系數(shù)圖4 含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)虧B透特性

        圖3是砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗結(jié)果,在彈性階段,試樣徑向應(yīng)變增量非常小.當(dāng)進入峰后階段,巖石發(fā)生了擴容現(xiàn)象,徑向應(yīng)變增量變大.

        對滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù)曲線進行擬合,擬合結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示,滲透率與加速度系數(shù)之間存在冪乘關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)高達0.998;滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系由ExpDec模型所描述,相關(guān)系數(shù)為0.87;非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系由BoxLucas模型所描述,相關(guān)系數(shù)為0.73.

        圖5 滲透率與加速度系數(shù)

        圖6 滲透率與非Darcy流β因子

        圖7 非Darcy流β因子與加速度系數(shù)

        4 結(jié)論

        2)滲透率和加速度系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)出負相關(guān),滲透率增加,加速度系數(shù)減??;滲透率減小,加速度系數(shù)增加.

        3)非Darcy流滲透特性之間存在相關(guān)關(guān)系,滲透率與加速度系數(shù)之間存在冪乘關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)高達0.998;滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系可以由ExpDec模型描述,相關(guān)系數(shù)為0.87;非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以由BoxLucas模型描述,相關(guān)系數(shù)為0.73.

        [1]張金才, 張玉卓, 劉天泉. 巖體滲流與煤層底板突水[M].北京:地質(zhì)出版社, 1997.

        [2]施龍青,韓進. 底板突水機理及預(yù)測預(yù)報[M]. 中國礦業(yè)大學(xué)出出版社,2004.

        [3]趙全福. 中國煤礦防治水技術(shù)經(jīng)驗匯編[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.

        [4]Brace,Matthew.Predictingcoalminewater[M].AustralianMining, 2006:ReedBusinessPublishingPty.Ltd.

        [5]王永紅,沈文. 中國煤礦水害預(yù)防及治理[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社,1996.

        [6]孟召平, 高延法, 盧愛紅. 礦井突水危險性評價理論與方法[M]. 科學(xué)出版社. 2011.

        [7]SunJian,WangLianguo,WangZhansheng,HouHuaqiang,ShenYifeng.Determiningareasinaninclinedcoalseamfloorpronetowater-inrushbymicro-seismicmonitoring[J].MiningScienceandTechnology, 2011,21(2): 165-168.

        [8]許家林,朱衛(wèi)兵,王曉振. 松散承壓含水層下采煤突水機理與防治研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2011,28(3): 333-339.

        [9]孫明貴, 李天珍, 黃先伍,等. 基于層狀巖體滲流失穩(wěn)條件的煤礦突水機理[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2005, 34(3):284-288.

        [10]陳占清, 繆協(xié)興, 劉衛(wèi)群. 采動圍巖中參變滲流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版, 2004, 35(1):129-132.

        [11]繆協(xié)興, 劉衛(wèi)群, 陳占清. 采動巖體滲流與煤礦災(zāi)害防治[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 22(2):74-77.

        [12]ForchheimerP.Wasserbewegungdurchboden[J].ZeitVerDeutschIng,1901, 45: 1782-1788.

        [13]CornellD,KatzDL.FlowofGasesthroughConsolidatedPorousMedia[J].Industrial&EngineeringChemistry, 2002, 45(10):2145-2152.

        [14]孔祥言. 高等滲流力學(xué)[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2010.

        [15]NieldDA,BejanA.ConvectioninPorousMedia[J].SpringerBerlin, 2012, 108(2):284-290.

        [16]陳占清. 峰后巖石非Darcy滲流系統(tǒng)的分岔行為研究[D]. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué), 2003.

        Experimental Investigation of Non-linear Seepage of Aquifer Sandstone under Complete Stress-Strain Process

        NI Xiao-yan1,2, CHEN Zhan-qing2, GONG Peng2

        (1.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China;2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining& Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

        Sandstone is one of the main aquifer in coal measures strata. Its variation law of non-Darcy permeability parameters is the key to explore mechanism of water inrush in coal mine. The origin and specific physical significance of non-Darcy flow permeability parameters are analyzed. A fluid flow test is conducted to investigate the permeability parameters using MTS816.02 and a designed seepage experimental system. The permeability, non-Darcy flowβfactorsandaccelerationcoefficientareobtained.Theexperimentalresultsshowthatpermeabilityvaluedecreasestominimum,whileaccelerationcoefficientincreasestomaximumwhenaxialstrainis1.0%,inelasticstage.Thevalueofnon-Darcyflowβfactorsreachesminimumwithhigheststress.Therelationshipbetweenpermeabilityandaccelerationcoefficientcanbedescribedbypowermultiplicationfunction.Therelationshipbetweenpermeabilityandnon-DarcyflowβfactorscanbedescribedbyExpDecmodel.Therelationshipbetweennon-DarcyflowβfactorsandaccelerationcoefficientcanbedescribedbyBoxLucasmodel.

        aquifer sandstone; non-Darcy flow;permeability; non-Darcy flowβfactor;accelerationcoefficient

        1673-2103(2017)02-0048-05

        2016-11-10

        國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB227900);國家自然科學(xué)基金資助項目(11502229);江蘇省研究生創(chuàng)新基金項目(No.KYLX_1368)

        倪曉燕(1987-),女,寧夏固原人,博士研究生,研究方向:采動巖體滲流理論.

        TU

        A

        猜你喜歡
        突水巖樣滲流
        裂隙幾何特征對巖體力學(xué)特性的模擬試驗研究
        煤礦安全(2023年7期)2023-08-04 03:39:06
        礦井突水水源的判別方法
        預(yù)制裂紋砂巖樣力學(xué)特性與能量演化規(guī)律研究
        礦井滯后突水機理探討
        頻繁動力擾動對圍壓卸載中高儲能巖體的動力學(xué)影響*
        爆炸與沖擊(2019年6期)2019-07-10 01:37:50
        李雅莊礦滯后突水主控因素分析
        大相嶺隧道高壓突水機理與預(yù)測分析
        基于磁性液體的巖樣總體積測試方法
        簡述滲流作用引起的土體破壞及防治措施
        河南科技(2014年12期)2014-02-27 14:10:26
        關(guān)于渠道滲流計算方法的選用
        河南科技(2014年11期)2014-02-27 14:09:48
        冲田杏梨av天堂一区二区三区| 欧美a级毛欧美1级a大片免费播放| 精品久久久久久久久久中文字幕| 最新国产拍偷乱偷精品| 日本在线一区二区三区观看| 国产女主播一区二区久久| av综合网男人的天堂| 亚洲男人av香蕉爽爽爽爽| 亚洲无码美韩综合| 久久本道久久综合伊人| 亚洲av久久久噜噜噜噜| 久久福利青草精品免费| 中文字幕日本女优在线观看| 白白色发布会在线观看免费| 人与禽性视频77777| 国产成人久久综合热| 91麻豆精品一区二区三区| 国产白浆在线免费观看| 国产精品亚洲一区二区三区在线| 亚洲AV无码精品色欲av| 日韩精品一区二区三区av| 五月色丁香婷婷网蜜臀av| 亚洲av成人无码久久精品| 亚洲国产高清美女在线观看 | 精品国产黄一区二区三区| 色哟哟精品视频在线观看| 亚洲人成影院在线无码观看| av永远在线免费观看| 人妻少妇不满足中文字幕 | 国产av天堂一区二区二区| 日本少妇浓毛bbwbbwbbw| 精品一品国产午夜福利视频| 国产精品三级av一区二区| 成人麻豆视频免费观看| 无码少妇精品一区二区免费动态| 色综合另类小说图片区| 中文字幕手机在线精品| 国产精品人人做人人爽| 精品国产高清a毛片无毒不卡 | 少妇一区二区三区乱码| 日韩在线 | 中文|