基于滲流失穩(wěn)的突水潰沙進(jìn)展分析

張瀟+劉玉+司振華+侯廣輝+何斌

摘 要：闡述了突水潰沙的重要性及意義，對(duì)于突水潰沙的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并分別從突水潰沙、水沙流動(dòng)及滲流失穩(wěn)的角度去揭示突水潰沙機(jī)理的現(xiàn)狀，并進(jìn)一步提出揭示突水潰沙機(jī)理研究方向。

關(guān)鍵詞：突水潰沙；滲流；二相流；研究現(xiàn)狀

Abstract：The pager elaborates the importance of water and sand inrush， and sum up the research status of water and sand inrush. In order to reveal the mechanism of water and sand inrush， water and sand inrush， water and sand fluid， stability are respectively discussed. Research direction to reveal the mechanism of water and sand inrush is been put forward.

Key words： water and sand inrush， seepage， two-phase fluid， research status

1 突水潰沙研究意義

突水和潰沙事故對(duì)煤礦是重大的安全隱患，特別是對(duì)于我國(guó)西部干旱、半干旱地區(qū)，一方面極度缺水，另一方面還會(huì)造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。水沙在頂板采動(dòng)裂隙或破碎巖體中運(yùn)移初期是滲流，而后在合適的地質(zhì)環(huán)境先會(huì)發(fā)生突變進(jìn)而發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。突水潰沙是水、沙混合物在采動(dòng)裂隙中運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的體現(xiàn)。本文從滲流失穩(wěn)的角度研究突水潰沙現(xiàn)象，具體可分為突水潰沙、水沙流動(dòng)和失穩(wěn)機(jī)理三個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 突水潰沙方面

楊偉峰等[1]、隋旺華等[2-3]從流體角度去研究，在不同條件下利用膠結(jié)砂層進(jìn)行了室內(nèi)研究突水潰沙機(jī)理試驗(yàn)，得到了不同壓力條件的流動(dòng)規(guī)律及突沙的臨界水力坡度。另外，隋旺華等[4]、許言春等[5]從突沙口結(jié)構(gòu)去分析得到了不同的結(jié)論，他們認(rèn)為突沙的初始位置至關(guān)重要。

2.2 水沙流動(dòng)

水沙在裂隙中的流動(dòng)特性研究極為重要，水沙作為二相流動(dòng)介質(zhì)，而二相流的探討研究，又能夠有效地利用在能源工程、水利工程、環(huán)境工程等科學(xué)領(lǐng)域。研究的主要理論模型包括：連續(xù)介質(zhì)模型、離散顆粒模型（顆粒軌道模型）、流體擬顆粒模型。

連續(xù)介質(zhì)模型所采用的方法，主要是用來(lái)論述離散的沙粒的各種運(yùn)動(dòng)情況。連續(xù)介質(zhì)模型的類別主要包含兩種：?jiǎn)瘟黧w模型和雙流體模型。單流體模型在學(xué)術(shù)上有非常多的研究成果，并且有很重要的價(jià)值。這篇文章主要闡述對(duì)雙流體模型的研究成果。余錫平等人[6]在他們的成果，即動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展中，主要說(shuō)明了懸沙濃度、泥沙沉降速度以及各相間作用力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

離散顆粒模型（顆粒軌道模型）中，存在著流體相和顆粒相，通過(guò)研究，二者主要通過(guò)相互作用力實(shí)現(xiàn)互相耦合，不過(guò)二者的描述方法不一致，主要用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法描述流體相，用顆粒軌道模型描述顆粒相。離散顆粒模型是在統(tǒng)計(jì)分析了大量的離散的顆粒，通過(guò)一些列的相關(guān)的試驗(yàn)調(diào)查，最后經(jīng)過(guò)分析得到平均的顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程。概括性的說(shuō)，離散顆粒模型在數(shù)學(xué)界的范圍上就只是屬于一種簡(jiǎn)單的方程形式，但是由于這種形式具有一定的復(fù)雜性，人為的計(jì)算工作量比較大且困難，想要得出精確的結(jié)論，這個(gè)是很困難的。

流體擬顆粒模型最主要的目的是保證流體的運(yùn)動(dòng)具有一定的連續(xù)性和穩(wěn)定性。這種模型主要是通過(guò)流體微團(tuán)和固體顆粒的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述說(shuō)明。流體擬顆粒模型中的相互作用力是這種模型是否順利試驗(yàn)的重要保障。流體擬顆粒模型目前在國(guó)內(nèi)外還在不斷的發(fā)展研究階段，現(xiàn)有的研究比較少。

通過(guò)以上文章闡述，目前國(guó)內(nèi)外水沙混合物流動(dòng)在河流和管道中的試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方面的研究成果以及進(jìn)展都是非?？捎^的，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)于水沙混合物在裂隙中的滲流問(wèn)題，目前還是處于起步階段，需要我們更進(jìn)一步的去發(fā)掘研究。

2.3 滲流失穩(wěn)

孔海陵、陳占清等人[7]初步探討了承載關(guān)鍵層、隔水關(guān)鍵層和滲流關(guān)鍵層關(guān)系，他們認(rèn)為當(dāng)某一巖層的滲透率比其他巖層低一個(gè)量級(jí)，而非Darcy流因子比其他巖層高兩個(gè)量級(jí)時(shí)，該巖層的滲透性參量對(duì)巖體滲流的穩(wěn)定性起支配作用，并參照承載關(guān)鍵層的提法，將這一巖層成為滲流關(guān)鍵層。繆協(xié)興等[8]通過(guò)對(duì)破碎巖體中氣體滲流的非線性動(dòng)力學(xué)的研究，他們總結(jié)了多方面的關(guān)于滲流失穩(wěn)的觀點(diǎn)，并且成功的闡述說(shuō)明了關(guān)于瓦斯突出的原理及其發(fā)生條件等。

從上面所論述的所有具體試驗(yàn)以及本人的個(gè)人觀點(diǎn)來(lái)看，滲流失穩(wěn)可以對(duì)突水、瓦斯突水機(jī)理方面做出相對(duì)合理且正確的解釋說(shuō)明，但是，目前還沒(méi)有人利用這一原理對(duì)突水潰沙的現(xiàn)象及原因進(jìn)行解釋探討。

3 結(jié)束語(yǔ)

突水潰沙的機(jī)理遠(yuǎn)沒(méi)有被人們認(rèn)識(shí)和掌握，本文從突水潰沙、水沙二相流和滲流失穩(wěn)機(jī)理三個(gè)方面闡述了突水潰沙的重要性及意義。突水潰沙的研究是個(gè)巨大并且復(fù)雜，而且極其有意義和作用的過(guò)程，目前對(duì)突水潰沙的發(fā)生機(jī)理，我們還一直在不斷地深入探討，特別是水沙在裂隙或破碎巖體的運(yùn)移規(guī)律，研究偏少；借鑒水沙二相流在河流領(lǐng)域的研究成果，結(jié)合滲流失穩(wěn)理論，是揭示突水潰沙機(jī)理一個(gè)新方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊偉峰，隋旺華，吉育兵，等.薄基巖采動(dòng)裂隙水沙流運(yùn)移過(guò)程的模擬試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（1）：141-146.

[2]隋旺華，蔡光桃，董青紅.近松散層采煤覆巖采動(dòng)裂縫水砂突涌臨界水力坡度試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（10）：2084-2091.

[3]隋旺華，董青紅，蔡光桃，等.采掘潰砂機(jī)理與預(yù)防[M].地質(zhì)出版社，2008.

[4]隋旺華，董青紅.近松散層開(kāi)采孔隙水壓力變化及其對(duì)水砂突涌的前兆意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（9）：1908-1916.

[5]許延春，王伯生，尤舜武.近松散含水層潰沙機(jī)理及判據(jù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（1）：63-69.

[6]李勇，余錫平，林緬.波浪作用下懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的兩相流數(shù)值模型[J].動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，A輯，2010，25（2）：224-230.

[7]孔海陵，陳占清，卜萬(wàn)奎，等.承載關(guān)鍵層、隔水關(guān)鍵層和滲流關(guān)鍵層關(guān)系初探[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（5）：485-488.

[8]李順才，陳占清，繆協(xié)興，等.破碎巖體中氣體滲流的非線性動(dòng)力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（7）：1372-1380.