陈学文，吕闰生

(1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064；2.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003)

近年来，我国中东部矿井浅部煤炭资源已开采殆尽，因此纷纷转向深部煤炭资源开采[1-3]，但受“三高一扰动”的影响，煤矿突水事故日趋频繁，严重影响了煤矿的安全生产和经济效益[4-7]。针对矿山突水灾变问题，许多专家学者采用理论分析、数值模拟和室内试验等方法开展了研究并取得了丰硕的成果。在理论方面，钱鸣高等[8]从不同断层破碎带类型角度分别研究了相应的突水机制；罗雄文等[9]分析研究了断层破碎带内部不良地质含水体特性与突水灾害的关系，将触发突水事故的地质构造类型及灾变模式分为五种；WANG等[10]基于有效多孔介质理论研究分析了采动条件下裂隙岩体渗透率变化规律及其对地下水突水影响。数值模拟方面，李廷春等[11]基于连续介质力学和变质量动力学理论，推导了饱和断层破碎岩体变质量渗流-变形耦合模型并将其编译入FLAC3D数值软件中，模拟揭示了富水断层破碎带围岩突水机理；陈国庆等[12]利用COMSL软件将Darcy流、Brinkman和N-S渗流方程耦合，实现破碎带隧道突水全过程模拟。室内试验方面，MA等[13]用采用自发设计加工的试验系统研究了采动过程中小颗粒运移对诱发断层突水机理；郭信山等[14]采用断层影响因子等值线和断层分维等值线相互融合技术，得到新汶煤田协庄煤矿奥灰岩溶裂隙分布规律。

以上研究大多依托不同的工程背景下的破碎带突水事故而得出适用于特定条件结论和防治方案。事实上，渗流情况下颗粒运移也是导致破碎带水害事故发生的重要原因，本文利用自发设计和研制的试验装置，定量研究了不同初始孔隙率以及水压对破碎岩体水力特性的影响，进而揭示致使煤矿突水事故发生的重要内因，由此加深对破碎带煤矿水害问题的认识和理解，完善和丰富突水机理。

1 室内试验

1.1 试验系统及方案

破碎岩体颗粒运移试验系统由4个部分组成：应力控制系统、颗粒收集系统、颗粒渗流系统和数据采集系统(图1)。通过控制水压大小即可进行不用渗透压下颗粒运移试验，通过控制应力大小从而控制试样高度进而可进行不同孔隙率下颗粒运移试验。一般而言，破碎岩体可视为岩体框架和细颗粒成分两部分组成，本文选用粒径为4～8 mm的砂岩颗粒作为试样框架，选用1～2 mm和2～4 mm粒径的砂岩颗粒作为细颗粒成分(充填颗粒)，两部分按照质量比1∶1∶1混合加工成1 500 g的圆柱形试样。具体试验方案见表1。

表1 试样级配及试验设计Table 1 Test scheme and particle sizes

图1 破碎岩体颗粒运移试验系统Fig.1 Particle migration test system for broken rock mass

1.2 试验过程

试验首先采用电子称称取相应质量的破碎岩石颗粒；然后装入模具并根据试验方案的设计采用铁锤将其捣实，压实且静置24 h；随后将模具拆除，把试样整体装入试验系统中，启动应力控制器，液压油推动活塞运动使得试样高度完全吻合试验设计时的试样高度；最后启动渗流系统，通过水箱及其稳压器施加稳定的渗透压(水压)，电脑实时记录颗粒收集系统中迁移排出的颗粒质量。

1.3 水力参数计算

1) 渗透率k。根据一维达西定律可得式(1)。

-Δp/Δh=μvk-1

(1)

式中：Δp/Δh为压力梯度，Pa/m；μ为水在常温下的黏度，本文取值为8.94×10-4Pa·s；v为平均水流速度，m/s；根据v=Q/(πr2)，Q为水流量，m3，r为试样半径，m。

由于本试验中试样的顶部与大气相连通且试样的高度保持不变，因此式(1)可改写为式(2)。

ki=μvih0/p

(2)

式中：i为第i时刻相应的参数值；h0为试验过程中试样高度，m；p为渗透压，Pa。

2) 孔隙率n0。为进行不同孔隙率下的颗粒运移试验，需要施加一定的应力荷载，进而改变试样度从而达到预期的孔隙率，破碎砂岩试样试验前的孔隙率n0计算公式见式(3)。

n0=1-ms/(πr2ρsh0)

(3)

式中：ms为试验前试样质量，本文取值为1.5 kg；ρs和h0分别为试验前试样的密度和高度，ρs取值2.32×103kg/m3。

试验过程中，每隔10 s记录一次排出的颗粒质量，每个试样的试验时间为200 s，因此记录的最大次数为j=20。试验过程中收集的颗粒总质量计算公式见式(4)。

mj=Δm1+Δm2+…+Δmj(j=1，2，3，…，20)

(4)

试验过程中颗粒的运移会导致试样孔隙率的增加，因此孔隙率在试验过程中的计算公式见式(5)。

nj=1-(ms-mj)/(πr2ρsh0)

(5)

2 试验结果分析与讨论

2.1 渗透率演化分析

破碎岩体渗透率随时间的变化规律如图2所示。在整个试验过程中渗透率的演化特征可分为4个阶段，分别是振荡增长阶段、快速增长阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段。试验初期即振荡增长阶段，由于试样中大颗粒物质的重新排列，引起试样结构的变化，大颗粒物质在重新排列过程中可能造成其颗粒菱角以及边缘的破坏进而萌生新的、随机的导水通道，导致试样渗透率呈振荡型增长；随着试验的进行，萌生出来的导水通道会搭接、连通形成完整的突水通道，该阶段水流速度明显增大(突水)，使得大量细颗粒物质迁移排出甚至冲出试样，造成快速增长阶段中试样渗透率急剧增加；在缓慢增长阶段中，导水通道明显扩宽，颗粒在其中迁移的阻力也明显减少，但是由于大量细颗粒物质已经被冲出试样，使得残余的少量细颗粒物质冲出试样，导致试样的渗透率进一步增大，但是由于冲出的细颗粒物质的量不多，具有较为缓慢、均匀的速度，因此该阶段的渗透率增长速率近似成缓慢的线性增长；最后由于导水通道明显趋于稳定且几乎没有颗粒物质被冲出试样，渗透率保持稳定。

根据本文所设计的试验装置，不宜将破碎砂岩试样视为双重结构(骨架-充填物)去研究试样颗粒和裂缝网络单因素对渗透率的影响。虽然渗透率的变化可能会影响砂岩样本内部水力特性的整体变化，但如果想要研究单个因素的变化对渗透率的影响就需要更复杂的测试设备，因为在试验过程中，一些大颗粒也会分裂成较小的颗粒，所以根据本试验装置的功能以及本文的研究目的，认为从整体上研究破碎砂岩试样水力特性的整体变化较为合理。

2.2 影响因素讨论

1) 初始孔隙率。试样1、试样2和试样3分别代表在相同水压不同初始孔隙率条件下，试样渗透率变化的结果。在渗透压相同的情况下，试样的初始孔隙率越高，试验结束后其渗透率就越高(图2)。在振荡增长阶段中，大颗粒物质(试样框架)重新排列所需时间会随着初始孔隙率的增加而减少，这种情况与缓慢增长阶段完全类似。此外，孔隙率越高，试验结束后试样的最终孔隙率也会增大(图3)。

图2 试样渗透率随时间的变化曲线Fig.2 Change laws of permeability with time

图3 试样孔隙率随时间的变化曲线Fig.3 Change laws of porosity with time

2) 渗透压。试样2、试样4和试样5分别代表在相同初始孔隙率不同水压条件下，试样渗透率的变化结果。渗透压越高，试验结束后渗透率和孔隙率均会相应增大。在振荡增长阶段中，由于大颗粒物质的重新排列，渗透压越高，孔隙率的变化速率会越快，这是因为较大水压具有较强的携带细颗粒物质的能力。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型和方案

为了进一步研究突水过程中颗粒运移规律及其对破碎砂岩水力特性的影响，利用离散元数值软件PFC3D开展不同水压下破碎砂岩流-固耦合数值分析。根据室内试验材料和方案设计特点，数值分析中存在的基本特点和假定如下所述。

1) 当模型运行时，允许颗粒相互重叠，重叠量的大小和接触力的大小有关，且重叠量相对颗粒的尺寸是极其微小的。

2) 薄墙与薄墙之间的间隙为裂缝，薄墙是相互平行、光滑且平直的理想墙面。

3) 流体的渗流速度缓慢，符合达西定律，流体采用网格代替。

4) 渗流过程中仅考虑颗粒在不同水压作用下的运移效应，忽略渗流过程中颗粒和骨架、颗粒和颗粒之间的碰撞。图4是建立的离散元数值模型图，数值试验设计方案见表2，模型参数见表3。

图4 离散元数值模型图Fig.4 DEM model

表2 数值试验设计Table 2 Designer of numerical simulation

表3 数值试验材料参数Table 3 Parameters of model

3.2 数值结果分析

根据模拟结果可知，在刚开始施加水头时有极少部分颗粒立即进入裂隙，绝大部分颗粒往模型中间移动，同时试样顶部拐角位置的颗粒运动类似于涡流。此外，裂缝中的颗粒垂直运移，裂缝外的颗粒往裂缝处集中(图5)。随着模型运行时间的增加，颗粒持续进入裂隙并在水压作用下迁移出模型，同时颗粒的流动方向会出现一定的变化，涡流消失，拐角处颗粒流动方向指向裂隙，其余颗粒沿垂直方向流动，运移直至从模型中排出(图6)。

图5 初期涡流现象和颗粒运动方向分布Fig.5 Initial vortex phenomenon and distribution ofparticle movement direction

图6 颗粒流动方向的变化Fig.6 Changes of particle movement direction

为进一步研究不同水压下渗流过程中颗粒的运移总体积与时间的关系，利用FISH语言程序记录不同运行时间下的裂隙颗粒渗流量，利用WRITE命令将记录的各物理量以ASCll格式写入dat文件，再将该dat文件读入后处理软件ORIGIN中，所得计算结果如图7所示。由图7可知，不同水压下颗粒体积迁移随时间的变化曲线形状基本一致，并且可细分为四个阶段：缓慢增加阶段、快速增加阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段，这四个阶段刚好与室内试验中渗透率与时间的变化关系吻合。因此，数值试验说明了颗粒的迁移和排出是引起破碎带渗透率变化的本质因素。除此之外，随着渗透压的增大，达到稳定阶段的耗时越少，如当压力梯度由0.3 MPa增加至1.0 MPa时，达到稳定阶段的耗时从0.28 s缩减至0.13 s，这就说明在迁移体积相同的情况下，水压越大，颗粒的体积迁移速率越快。

图7 突水过程中颗粒体积的时效特征Fig.7 Time-dependency characteristics of particles volumeduring process of the water inrush

4 结 论

1) 破碎岩体突水试验过程中其渗透率的变化一般可分为四个阶段：振荡增长阶段、快速增长阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段。

2) 初始孔隙率和水压对试样最终渗透率和孔隙率的大小具有较大影响。在水压条件相同的情况下，试样的初始孔隙率越高，试验结束后其渗透率也就越高；初始孔隙率相同情况下，渗透压越高，试验结束后期渗透率和孔隙率均会相应增大。

3) 数值试验中累计颗粒迁移体积与时间关系可分为四个阶段，这四个阶段说明渗透率变化的本质原因是由颗粒迁移排出。