伴随颗粒迁移的陷落柱渗透特性及突水行为试验研究

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随着矿井开采深度的增加,底板水害已成为制约煤矿安全生产的重要因素之一,陷落柱突水作为其主要表现形式,颗粒迁移下陷落柱内部孔隙变化特征明显,研究回采过程中陷落柱的渗透特性和突水行为,对更为全面地了解陷落柱突水机理、防治陷落柱突水灾害的发生具有十分重要的工程指导意义。因此,本文从陷落柱突水问题入手,以陷落柱充填物为研究对象,在考虑颗粒迁移的条件下,采用室内试验和理论分析相结合的方法,研究了伴有颗粒迁移的陷落柱渗透特性及突水行为。为了揭示陷落柱突水事故的内在本质,改进了一套可模拟陷落柱突水的渗流试验系统,并提供了主要零部件的改制样图。基于该系统,开展了不同级配结构的陷落柱充填物孔隙渗透试验,模拟了采矿活动中不同埋深下陷落柱充填物的承载渗透历程。在描述相应试验现象的基础上,分拟了采矿活中不同埋深下陷落柱充物的承载渗透历程。描述相应试验现象的基础上,分析了迁移颗粒、承压荷载、粒径配比以及岩块骨架与渗透孔隙间的关系,得出了迁移颗粒是引发充填物孔隙差异的重要原因,级配试样的荷载浮动一般出现在10KN荷载中后期(存在压密后的荷载峰值,在35.3KN附近),迁移颗粒的质量随级配n值的增大而减小,级配值n=0.3与n=0.5的试样易于迁移更多的细小颗粒,渗透后的试样骨架粒径呈现出先快速减小后缓慢增加在减小的变化趋势。通过控制承载阶段、调整渗透水压,进行了颗粒迁移作用下不同承载渗透状态的陷落柱突水试验,模拟了不同埋深下陷落柱充填物的承载突水行为。在描述相应状态突水行为的过程中,分析了充填物导水孔隙的影响要素与突水通道的破坏特征,结果表明各组试样荷载的大幅波动阶段多出现在61s306s,级配值n=0.7与n=0.9的试样具有较好的水力承载能力,存在承压荷载下的孔隙致密区间。在控制渗透状态的过程中,各组试样的荷载峰值塌陷行为多出现于442s前后且变化趋势相近,淤积颗粒中以区间58mm的粒径居多,突水通道的面积随级配n值呈现出先减后增的变化趋势,且突水破坏区域多位于筒壁外侧,偶见局部中心位置。基于充填物试样渗透前后的颗粒特征,结合扫描电子显微镜系统,从细观的角度得到了充填物粒径表面普遍存在孔洞、裂缝和颗粒拼接等细观结构特征,分析了颗粒间挤压碎化作用、水的软化冲蚀作用对充填物迁移颗粒的影响。在归纳颗粒迁移下陷落柱突水力学模型的基础上,探讨了固体岩块骨架变形、高承压水渗流和迁移颗粒3者间的关系,得出了颗粒迁移是引发陷落柱孔隙突水行为的内在本质,渗透水压P和外部荷F只起某种促进作用,研究了伴随颗粒迁移的陷落柱渗透特性及突水行为,并给出了颗粒迁移下陷落柱突水事故的防治建议。
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