煤矿冒落型突水溃沙的破碎砂岩水沙渗流特性试验研究
张勃阳1
翁应康2
李振华3
林志斌2
王文强4
宋伟亚2
任浩4
1.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000;中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏徐州 2211162.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 4540003.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 4540004.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454000
摘要：在神东和陕北矿区浅埋煤层高强度开采过程中,冒落型突水溃沙已成为威胁顶板水害防控的典型矿山工程地质灾害.深入研究破碎岩体水沙渗流特性,对揭示冒落型突水溃沙致灾机理具有重要意义.基于此,利用自主研发的破碎岩体水沙渗流试验系统,以谢和平提出的岩石碎块累计质量的分形维度计算方法为基础,按照Talbot连续级配公式制备了不同粒径配比的破碎砂岩样品,设计了变孔隙度和粒径配比的水沙渗流试验,分析了破碎砂岩中水及水沙混合物的渗透率随孔隙度和粒径配比的变化规律,建立了考虑孔隙度比和分形维度的渗透率表达式,量化了水沙混合物黏度对渗透率计算结果的影响,揭示了破碎砂岩溃沙质量随孔隙度和粒径配比的变化规律,构建了渗透率和分形维度共同驱动的临界溃沙判据,以哈拉沟煤矿22402工作面为工程实例,验证了判据的准确性.研究结果表明:①破碎砂岩的水沙渗流过程包括初始波动阶段、相对稳定阶段和衰减阶段,渗透率随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大,水渗流的渗透率大于水沙渗流的渗透率;②破碎砂岩的溃沙质量随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大,且溃沙质量与渗透率呈近线性增长关系;③现有研究中多数学者采用水黏度代替水沙混合物黏度的简化算法在本文的计算中可导致最大18.3％的误差,对应现场尺度突水溃沙灾害中此误差可能超过800％;④引入分形维度可以将破碎砂岩渗透率拟合误差降低约56.43％,基于渗透率和分形维度对溃沙质量的变化规律提出的临界溃沙曲线在哈拉沟煤矿22402工作面应用效果良好.
关键词：突水溃沙破碎岩体水沙混合物渗透率临界溃沙判据
分类号：TD745(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52374087)国家自然科学基金(U24B2041)河南省优秀青年基金资助项目(252300421202)
论文发表日期：2025-11-30
在线出版日期：2025-12-19（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 5082-5093 )
英文信息