基于滲流失穩的突水潰沙進展分析

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，對于突水潰沙的研究現狀進行總結，并分別從突水潰沙、水沙流動及滲流失穩的角度去揭示突水潰沙機理的現狀，并進一步提出揭示突水潰沙機理研究方向。

關鍵詞：突水潰沙；滲流；二相流；研究現狀

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

突水和潰沙事故對煤礦是重大的安全隱患，特別是對于我國西部干旱、半干旱地區，一方面極度缺水，另一方面還會造成嚴重的地質災害。水沙在頂板采動裂隙或破碎巖體中運移初期是滲流，而后在合適的地質環境先會發生突變進而發生地質災害。突水潰沙是水、沙混合物在采動裂隙中運動失穩的體現。本文從滲流失穩的角度研究突水潰沙現象，具體可分為突水潰沙、水沙流動和失穩機理三個方面進行闡述。

2 國內研究現狀

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砂層進行了室內研究突水潰沙機理試驗，得到了不同壓力條件的流動規律及突沙的臨界水力坡度。另外，隋旺華等[4]、許言春等[5]從突沙口結構去分析得到了不同的結論，他們認為突沙的初始位置至關重要。

2.2 水沙流動

水沙在裂隙中的流動特性研究極為重要，水沙作為二相流動介質，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、環境工程等科學領域。研究的主要理論模型包括：連續介質模型、離散顆粒模型（顆粒軌道模型）、流體擬顆粒模型。

連續介質模型所采用的方法，主要是用來論述離散的沙粒的各種運動情況。連續介質模型的類別主要包含兩種：單流體模型和雙流體模型。單流體模型在學術上有非常多的研究成果，并且有很重要的價值。這篇文章主要闡述對雙流體模型的研究成果。余錫平等人[6]在他們的成果，即動力學研究與進展中，主要說明了懸沙濃度、泥沙沉降速度以及各相間作用力隨時間的變化規律。

離散顆粒模型（顆粒軌道模型）中，存在著流體相和顆粒相，通過研究，二者主要通過相互作用力實現互相耦合，不過二者的描述方法不一致，主要用連續介質力學方法描述流體相，用顆粒軌道模型描述顆粒相。離散顆粒模型是在統計分析了大量的離散的顆粒，通過一些列的相關的試驗調查，最后經過分析得到平均的顆粒運動過程。概括性的說，離散顆粒模型在數學界的范圍上就只是屬于一種簡單的方程形式，但是由于這種形式具有一定的復雜性，人為的計算工作量比較大且困難，想要得出精確的結論，這個是很困難的。

流體擬顆粒模型最主要的目的是保證流體的運動具有一定的連續性和穩定性。這種模型主要是通過流體微團和固體顆粒的質點運動方程來描述說明。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的重要保障。流體擬顆粒模型目前在國內外還在不斷的發展研究階段，現有的研究比較少。

通過以上文章闡述，目前國內外水沙混合物流動在河流和管道中的試驗、理論分析和數值模擬等方面的研究成果以及進展都是非常可觀的，但是相對來說，對于水沙混合物在裂隙中的滲流問題，目前還是處于起步階段，需要我們更進一步的去發掘研究。

2.3 滲流失穩

孔海陵、陳占清等人[7]初步探討了承載關鍵層、隔水關鍵層和滲流關鍵層關系，他們認為當某一巖層的滲透率比其他巖層低一個量級，而非Darcy流因子比其他巖層高兩個量級時，該巖層的滲透性參量對巖體滲流的穩定性起支配作用，并參照承載關鍵層的提法，將這一巖層成為滲流關鍵層。繆協興等[8]通過對破碎巖體中氣體滲流的非線性動力學的研究，他們總結了多方面的關于滲流失穩的觀點，并且成功的闡述說明了關于瓦斯突出的原理及其發生條件等。

從上面所論述的所有具體試驗以及本人的個人觀點來看，滲流失穩可以對突水、瓦斯突水機理方面做出相對合理且正確的解釋說明，但是，目前還沒有人利用這一原理對突水潰沙的現象及原因進行解釋探討。

3 結束語

突水潰沙的機理遠沒有被人們認識和掌握，本文從突水潰沙、水沙二相流和滲流失穩機理三個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巨大并且復雜，而且極其有意義和作用的過程，目前對突水潰沙的發生機理，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移規律，研究偏少；借鑒水沙二相流在河流領域的研究成果，結合滲流失穩理論，是揭示突水潰沙機理一個新方向。

參考文獻

[1]楊偉峰，隋旺華，吉育兵，等.薄基巖采動裂隙水沙流運移過程的模擬試驗[J].煤炭學報，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裂縫水砂突涌臨界水力坡度試驗[J].巖石力學與工程學報，2007，26（10）：2084-2091.

[3]隋旺華，董青紅，蔡光桃，等.采掘潰砂機理與預防[M].地質出版社，2008.

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

[5]許延春，王伯生，尤舜武.近松散含水層潰沙機理及判據研究[J].西安科技大學學報，2012，32（1）：63-69.

[6]李勇，余錫平，林緬.波浪作用下懸移質泥沙運動的兩相流數值模型[J].動力學研究與進展，A輯，2010，25（2）：224-230.

[7]孔海陵，陳占清，卜萬奎，等.承載關鍵層、隔水關鍵層和滲流關鍵層關系初探[J].煤炭學報，2008，33（5）：485-488.

[8]李順才，陳占清，繆協興，等.破碎巖體中氣體滲流的非線性動力學研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26（7）：1372-1380.