發(fā)布時(shí)間：2018-01-14 06:23

  本文關(guān)鍵詞：破碎巖體非達(dá)西滲流研究及其應(yīng)用　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：破碎巖體可分為兩類：一類是堆積破碎巖體,因工程開挖而破碎冒落并在高壓作用下可再次壓實(shí)的破碎巖體,比如采礦中因采動(dòng)作用而冒落的上覆巖層堆積體；另一類是原位破碎巖體,即受構(gòu)造及采動(dòng)作用破碎后仍處于原來(lái)位置的,比如斷層破碎帶、巷道開挖后周圍的松動(dòng)圈巖體等。破碎巖體與完整、致密巖體相比,具有孔隙度大、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn),滲透系數(shù)高出完整巖體一至數(shù)個(gè)量級(jí),因此,因滲流導(dǎo)致的重大災(zāi)害事故多發(fā)生在破碎巖體中。破碎巖體滲流的研究是基礎(chǔ)研究,這個(gè)研究與采礦工程、石油工程、地下水工程等一系列領(lǐng)域有關(guān),對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)安全有著重要的理論和實(shí)際意義。本文從以下幾個(gè)方面對(duì)堆積破碎巖體滲流進(jìn)行了研究。首先,根據(jù)破碎巖體孔隙率大、滲透性強(qiáng)、滿足分形分布的特點(diǎn),本文將非線性數(shù)學(xué)中的分形幾何理論和技術(shù)與多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合,建立了描述破碎巖體非達(dá)西滲透特性的分形繞流阻力模型。針對(duì)松散堆積破碎巖體提出繞流阻力分形分析的新研究方法,揭示除毛細(xì)管模型外,繞流阻力模型也可用來(lái)描述流體在介質(zhì)中的流動(dòng),分形分析揭示了多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、迂曲度等對(duì)流體流動(dòng)的影響機(jī)理。提出當(dāng)雷諾數(shù)在20-1000時(shí),阻力系數(shù)可能是從10-13漸變的,而不是在雷諾數(shù)是500時(shí)發(fā)生了突變,這更符合實(shí)際情況。其次,本文進(jìn)一步研究了平均水力半徑孔喉模型,通過(guò)對(duì)比平均水力半徑孔喉模型理論表達(dá)式和Forchheimer方程,可求出達(dá)西滲透率、非達(dá)西因子、非達(dá)西等效滲透率的理論表達(dá)式。達(dá)西滲透率與孔隙率、顆粒平均粒徑、迂曲度有關(guān),與雷諾數(shù)無(wú)關(guān),結(jié)論與滲透率定義中滲透率只與介質(zhì)骨架有關(guān)而與介質(zhì)中流體的流動(dòng)無(wú)關(guān)一致。非達(dá)西等效滲透率是雷諾數(shù)的函數(shù),隨雷諾數(shù)增加而減小,這個(gè)結(jié)論與Barree和Conway采用無(wú)量綱得到的結(jié)果一致。非達(dá)西等效滲透率采用無(wú)量綱的形式,可求得非達(dá)西等效滲透率和達(dá)西滲透率的比例系數(shù),在采礦工程和石油工程中,經(jīng)常采用達(dá)西滲流忽略非達(dá)西滲流,往往造成很大的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中,可用這個(gè)比值對(duì)達(dá)西滲透率進(jìn)行修正,減小誤差。計(jì)算得出巖體滲流的達(dá)西和非達(dá)西流的臨界閾值,雷諾數(shù)小于0.1時(shí),非達(dá)西等效滲透率和達(dá)西滲透率的比值大于99%,即非達(dá)西滲流引起的誤差小于1%,可以認(rèn)為流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)為達(dá)西流；雷諾數(shù)Re≥1,非達(dá)西等效滲透率和達(dá)西滲透率的比值小于95%,即非達(dá)西滲流引起的誤差大于5%,如果誤差控制在5%以內(nèi),雷諾數(shù)Re≥1時(shí),計(jì)算過(guò)程中需要考慮非達(dá)西滲流的影響。本文將平均水力半徑孔喉模型進(jìn)一步擴(kuò)展到非達(dá)西氣液兩相滲流,計(jì)算出液相和氣相的達(dá)西滲透率、非達(dá)西等效滲透率、非達(dá)西因子的理論表達(dá)式,計(jì)算出相對(duì)滲透率和相對(duì)非達(dá)西因子理論表達(dá)式,在表達(dá)式中每個(gè)參數(shù)都具有明顯的物理意義。最后,將三種Forchheimer型非達(dá)西滲流理論引入到礦井水害防治中,即分形孔喉模型,Ergun模型,平均水力半徑孔喉模型用于計(jì)算水流失穩(wěn)條件,分別得到突水臨界閾值。從非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的視角揭示礦井突水的機(jī)理。研究表明：礦井突水與巖層的孔隙率、顆粒直徑、滲流液體的力學(xué)性質(zhì)及水流速度等因素有關(guān)。當(dāng)孔隙和顆粒直徑越小,滲流越不容易失去穩(wěn)態(tài)。反之,孔隙率和顆粒直徑越大,滲流系統(tǒng)越容易失去穩(wěn)態(tài)。本文還建立了“三帶”串聯(lián)阻力模型,將非達(dá)西滲流理論引入到礦井巷道漏風(fēng)量的計(jì)算。滲透系數(shù)采用平均水力半徑孔喉模型計(jì)算,滲透系數(shù)是煤的孔隙率、粒徑、迂曲度等的函數(shù),將其用于“三帶”串聯(lián)模型中計(jì)算出礦井漏風(fēng)量,為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)值的合理性,在荊各莊礦選取長(zhǎng)410米有相鄰采空區(qū)的直巷道進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)符合的較好,證明了模型的合理性。本文有助于進(jìn)一步深刻理解和認(rèn)識(shí)孔隙率大、滲透率高的多孔介質(zhì)的輸運(yùn)規(guī)律,彌補(bǔ)現(xiàn)有理論中對(duì)非達(dá)西滲流研究的不足,解決采礦工程、石油工程、地下水工程和工程地質(zhì)等領(lǐng)域的非線性滲流問(wèn)題,拓展非線性滲流的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。
[Abstract]:In this paper , the theory and practice of fractal dimension , non - Darcy and non - Darcy equivalent permeability of fractured rock mass are studied . In this paper , the theory expression of Darcy ' s permeability , non - Darcy equivalent permeability and non - Darcy permeability is calculated and the relative permeability and relative non - Darcy flow rate are calculated . and the practical application field of non - linear seepage is expanded .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU45

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本文編號(hào)：1422420