煤巖體突水通道骨料灌注運(yùn)移堆積機(jī)制試驗(yàn)

蘇培莉, 楊述, 劉鋒

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 西安 710054)

煤礦巷道發(fā)生突涌水事故后,通常先行灌注骨料在巷道中形成一定高度的堆積體阻水段進(jìn)行截流降速,將巷道內(nèi)的管道流變?yōu)闈B流后,再進(jìn)行注漿加固,徹底切斷水源與巷道間的水力聯(lián)系。

其中阻水段的形成是決定封堵成敗的關(guān)鍵,眾多學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究工作,牟林[1]從骨料灌注期間的水力學(xué)狀態(tài)出發(fā),對(duì)截流工程技術(shù)綜合優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究,將截流過程分為了4個(gè)階段,即骨料灌注前的施工準(zhǔn)備階段、鋪底-充填階段、骨料接頂階段、注漿加固階段;董書寧等[2]研制了過水巷道動(dòng)水快速截流大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)過水巷道在不同突水水源條件下的快速截流模擬試驗(yàn);楊志斌等[3]針對(duì)突水巷道截流接頂困難這一技術(shù)難點(diǎn),提出了截流、堵源同步進(jìn)行的治理方案。為研究骨料灌注后在動(dòng)水環(huán)境中的堆積過程,惠爽[4]、李維欣[5]設(shè)計(jì)研制了可視化的礦井淹沒巷道動(dòng)水骨料灌注試驗(yàn)平臺(tái),從定性角度對(duì)骨料截流過程中的影響因素及堵水效果進(jìn)行了分析。但由于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的局限性,不同時(shí)刻下骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度及堆積體內(nèi)部的水流速度難以通過試驗(yàn)儀器精準(zhǔn)測(cè)量,而獲取這些變量對(duì)后期注漿徹底封堵突水通道具有重要的指導(dǎo)作用。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)-離散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM)的應(yīng)用為解決這一問題,補(bǔ)充分析并描述顆粒在動(dòng)水中的運(yùn)移過程提供了技術(shù)途徑,該方法在固-液兩相流耦合作用過程的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。牟林等[6]基于CFD-DEM研究了骨料灌注過程及截流堵水機(jī)制,驗(yàn)證了煤礦水害防治領(lǐng)域采用類似方法進(jìn)行截流工程計(jì)算的適用性;楊志斌[7]利用CFD數(shù)值模擬軟件OpenFOAM和DEM數(shù)值模擬軟件LIGGGHTS研究了將保漿袋囊拋入巷道后的運(yùn)移規(guī)律及流場(chǎng)變化特征以及保漿袋囊對(duì)骨料堆積體阻水能力的影響。

以上研究成果以定性研究截流堵水過程中骨料灌注后其運(yùn)移堆積規(guī)律為主,而該方面的定量分析成果鮮有報(bào)道。鑒于此,現(xiàn)從骨料顆粒群的沉積位置、 “生長”方向等多角度出發(fā)對(duì)骨料堆積體在突水通道內(nèi)的形成過程展開研究,揭示骨料堆積體形成過程中突水通道內(nèi)流場(chǎng)及壓力場(chǎng)的演化規(guī)律。

1 骨料堆積形態(tài)演化過程試驗(yàn)

1.1 可視化骨料灌注試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)由突水通道、給排水系統(tǒng)、投料系統(tǒng)和骨料回收系統(tǒng)4部分組成,如圖1所示,突水通道采用亞克力材質(zhì)透明圓管,管道內(nèi)徑70 mm,長2 m。給排水系統(tǒng)由兩臺(tái)2.0 kW單向自吸泵和一個(gè)50 L儲(chǔ)水箱組成,兩臺(tái)自吸泵分別用于為試驗(yàn)提供水源和作為排水泵將試驗(yàn)廢水排出。投料系統(tǒng)由儲(chǔ)料桶、投料漏斗及稱重裝置組成。骨料回收系統(tǒng)由骨料過濾裝置和廢液桶兩部分組成。本試驗(yàn)平臺(tái)可通過保持水箱水頭和調(diào)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)提供恒定流量的功能,主要用于研究骨料與動(dòng)水相互作用下的骨料運(yùn)移堆積問題。

1為亞克力管道;2為管道支座;3為投料系統(tǒng);4為壓力傳感器;5為無紙記錄儀;6為電磁流量計(jì);7為供水箱;8為稱量裝置;9為相機(jī);10為水泵;11為骨料回收系統(tǒng)圖1 可視化骨料灌注試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Filling aggregate visualized test platform

1.2 試驗(yàn)方案

據(jù)典型突水巷道截流堵水工程統(tǒng)計(jì)[8],一般情況下突水巷道中流速總體小于0.3 m/s,而骨料堆積臨近接頂時(shí),未接頂區(qū)域流速可達(dá)初始流速的數(shù)倍以上?？紤]到以上情況,將初始流速Vs設(shè)定為0.3、1.0 m/s兩個(gè)等級(jí)。煤巖體突水通道中灌注骨料時(shí),骨料的最大粒徑應(yīng)小于鉆孔內(nèi)徑的1/3[9],因此選定0～2、2～5、5～8 mm 3個(gè)粒徑范圍骨料作為試驗(yàn)材料。在實(shí)際工程及室內(nèi)試驗(yàn)中[10-12],人們通常并未對(duì)灌注速度Φ(kg/s)進(jìn)行嚴(yán)格控制,僅規(guī)定了鉆孔直徑的大致范圍。灌注速度指單位時(shí)間內(nèi)骨料顆粒做自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到突水通道內(nèi)的總質(zhì)量,單位為kg/s。因此下文室內(nèi)試驗(yàn)中均以投料漏斗口徑大小作為衡量灌注速度的標(biāo)準(zhǔn),選用6種口徑的投料漏斗(12、18、24、30、36、48 mm)控制灌注速度,漏斗口徑越大,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到突水通道中的骨料重量越大?，F(xiàn)針對(duì)不同粒徑骨料顆粒在各口徑漏斗下的灌注速度進(jìn)行反復(fù)測(cè)試,確定了各口徑對(duì)應(yīng)的灌注速度大致范圍,見表1。為使試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性,限定骨料灌注總量3.0 kg。本試驗(yàn)在兩個(gè)流速等級(jí)下對(duì)3個(gè)粒徑范圍骨料在不同灌注條件下的堆積過程展開研究,共計(jì)24個(gè)工況。

表1 不同口徑漏斗下的骨料灌注速度Table 1 Filling speed with different diameters funnel

1.3 骨料初始沉積位置分析

骨料由投料孔進(jìn)入突水通道后,其沉積運(yùn)移規(guī)律與動(dòng)水流速、粒徑及灌注條件密切相關(guān)。如圖2所示,初始動(dòng)水流速Vs較大時(shí),骨料沉積位置距離投料孔較遠(yuǎn),且在相同灌注速度Φ下,骨料粒徑D越小,沉積位置距離投料孔越近,而增大灌注速度可以極大地縮小骨料沉積位置和投料孔間的距離。如圖3,以初始動(dòng)水流速Vs=1.0 m/s下灌注D=2～5 mm骨料為例,分別用18、24、30、36 mm 4個(gè)口徑漏斗投料,灌注量達(dá)0.5 kg時(shí),骨料堆積體沉積位置分別位于距投料孔底477、380、225、53 mm處,最小距離僅為最大時(shí)的11%。初始動(dòng)水流速Vs=0.3 m/s時(shí),骨料粒徑和灌注速度的改變對(duì)骨料初始的沉積位置影響不顯著,沉積位置均在距投料孔30 mm范圍內(nèi)。分析原因:骨料從投料孔進(jìn)入突水通道后,由于孔底附近流速較大,骨料自身重力不足以抵抗來自水流的拖曳力和上舉力,進(jìn)而被水流快速攜帶至較遠(yuǎn)的下游處。下游區(qū)域流速較小,無法為保持骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供足夠的動(dòng)能,因此骨料停止運(yùn)移,開始沉積。另外,因?yàn)楣嘧⑺俣炔煌?相同時(shí)間內(nèi)骨料沉積在巷道中的重量不同,在較大的灌注速度下,骨料可以快速沉積到一定重量,致使水流的搬運(yùn)能力無法將骨料群整體裹挾至下游。

圖2 骨料初始沉積位置變化曲線Fig.2 Initial deposition position of aggregate

圖3 不同灌注速度下的骨料初始沉積狀態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of initial deposition states of aggregates with different filling speeds

1.4 骨料運(yùn)移堆積演化規(guī)律

骨料初始沉積位置不同,導(dǎo)致骨料堆積體初期形態(tài)差異明顯。如圖4所示描述了骨料在孔底附近沉積后,骨料堆積體順?biāo)鞣较蛏L的情形。圖5所示為灌注初期骨料堆積體順?biāo)鞣较蛐纬墒疽鈭D。開始灌注后,由于初始流速較低,骨料在投料孔孔底附近①區(qū)沉積。隨著骨料的持續(xù)灌注,堆積高度增加(②區(qū)),過水?dāng)嗝婷娣e減小,頂區(qū)流速增大,水流攜砂能力增強(qiáng)。當(dāng)水流攜砂能力與由灌注速度和骨料粒徑主導(dǎo)的堆積能力達(dá)到平衡時(shí),后續(xù)灌注的骨料顆粒將無法沉積在堆積體頂部,堆積高度達(dá)到極限(③區(qū))。繼續(xù)灌注骨料,骨料堆積體僅水平向伸長(④、⑤、⑥區(qū))。

圖4 灌注期間骨料堆積體形成過程(Vs=0.3 m/s, D=0～2 mm)Fig.4 Formation of aggregate stacking at pouring stages(Vs=0.3 m/s, D=0～2 mm)

圖5 灌注期間骨料堆積體順?biāo)鞣较蛐纬蛇^程示意圖Fig.5 Formation of aggregate stacking anterograde at pouring stages

采用口徑小于36 mm投料漏斗在初始流速Vs=1.0 m/s動(dòng)水環(huán)境中灌注D=5～8 mm骨料時(shí)則會(huì)表現(xiàn)出另一種運(yùn)移堆積形態(tài)。如圖6所示,描述了骨料進(jìn)入通道后,在距離投料孔較遠(yuǎn)的下游沉積,然后逆向生長至孔底的過程。如圖7所示,由于投料孔底部距突水口近,流速較大,骨料落入突水通道后被迅速帶離,在流速較低的下游沉積(①區(qū)),后續(xù)進(jìn)入通道的骨料在移動(dòng)時(shí)受到阻擋,停留在骨料堆積體迎水坡處(②區(qū)),因此骨料堆積體逆來水方向生長(③區(qū))。當(dāng)骨料從初始沉積區(qū)鋪滿至孔底時(shí),骨料堆積體垂向高度同步增長至極限(④、⑤區(qū)),此后,骨料堆積體僅水平長度增加(⑥、⑦區(qū))。

圖6 灌注期間骨料堆積體形成過程(Vs=1.0 m/s, D=5～8 mm)Fig.6 Formation of aggregate stacking reverse at pouring stages(Vs=1.0 m/s, D=5～8 mm)

圖7 灌注期間骨料堆積體逆水流方向形成過程示意圖Fig.7 Formation of aggregate stacking reverse at pouring stages

若骨料灌注速度遠(yuǎn)大于水流的搬運(yùn)能力,則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的堵孔現(xiàn)象,如圖8所示,隨著灌注過程的進(jìn)行,通道內(nèi)的過水?dāng)嗝骐m在不斷縮小,但頂部核區(qū)流速對(duì)應(yīng)的搬運(yùn)能力始終小于灌注速度,骨料難以被遠(yuǎn)距離搬運(yùn),在孔底就近沉積后快速接頂堵塞投料孔,導(dǎo)致有效堆積段長度不足,阻水能力差,截流后的淹沒水位依然維持在一個(gè)較高水平。因此應(yīng)力求做到灌注速度、骨料粒徑與流速三者相互匹配,增大骨料運(yùn)移距離,確保骨料堆積加固后阻水段長度滿足截流要求。

圖8 骨料堵塞投料孔Fig.8 Aggregate plugging holes

1.5 灌注速度對(duì)骨料極限堆積高度的影響

本文中骨料堆積體極限高度指灌注過程中頂區(qū)水流攜砂能力與骨料堆積能力達(dá)到平衡,堆積高度不再變化時(shí)的值。所謂平衡,是指單位時(shí)間內(nèi),沉積在堆積體頂部表面的骨料顆粒與被水流沖刷外移的顆粒重量保持動(dòng)態(tài)相等。圖9所示為極限堆積高度隨灌注速度變化情況,可以發(fā)現(xiàn)在高流速下,堆積高度對(duì)骨料灌注速度更敏感。如圖10所示,初始流速Vs=0.3 m/s下使用口徑36 mm投料漏斗灌注D=2～5 mm骨料,比18 mm下的極限堆積高度高20.69%,而在初始流速Vs=1.0 m/s的動(dòng)水環(huán)境中,極限堆積高度增幅超過41%。

圖9 極限堆積高度隨灌注速度變化曲線Fig.9 Variation of maximum stacking height with filling speed

圖10 2～5 mm骨料不同條件下的極限堆積高度Fig.10 Maximum stacking height of 2～5 mm particles with different conditions

如圖11所示,初始流速Vs=1.0 m/s動(dòng)水環(huán)境中,使用口徑12 mm漏斗灌注0～2 mm骨料,骨料極限堆積高度僅24.32 mm,逐級(jí)增大漏斗口徑進(jìn)行灌注,口徑18、24、30 mm下的極限堆積高度分別比上一檔灌注速度下的高度增長45.6%、26.6%、10.1%,增幅逐級(jí)遞減,在灌注大粒徑骨料時(shí),同樣存在此情況。由此說明,切換至更大口徑的投料漏斗后,灌注速度增大,堆積高度得到提升,但隨著堆積高度的增加,堆積體頂部攜砂能力的增強(qiáng),增大灌注速度所起到的提高作用被逐漸削弱。

圖11 0～2 mm骨料不同灌注速度下的極限堆積高度Fig.11 Maximum stacking height of 0～2 mm particles with different filling speed

2 骨料堆積數(shù)值模擬試驗(yàn)

由于室內(nèi)試驗(yàn)的局限性,很難全方位分析各因素對(duì)骨料運(yùn)移過程、骨料堆積形態(tài)等的影響,鑒于此,本節(jié)結(jié)合CFD-DEM雙向瞬態(tài)耦合仿真方法[13-15],對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充分析。此方法中流體運(yùn)動(dòng)采用歐拉方法描述,固體顆粒運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日方法描述。該方法可以反映顆粒-顆粒以及顆粒-流體間的相互作用,能夠準(zhǔn)確獲取各網(wǎng)格單元的流速和壓強(qiáng)數(shù)據(jù),以及顆粒的位置、速度以及受力情況[7]。模擬試驗(yàn)中突水通道更接近實(shí)際工程,可以實(shí)時(shí)記錄骨料顆粒堆積形成過程,有效解決地下工程施工中的隱蔽性問題。

2.1 模型驗(yàn)證

以動(dòng)水環(huán)境中灌注2～5 mm骨料顆粒為例驗(yàn)證數(shù)值模型的適用性及計(jì)算精度。如圖12所示,突水通道模型內(nèi)徑70 mm,長2.0 m,對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化立方體網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格尺寸15 mm。將骨料顆粒簡化為球體,顆粒間接觸選用Hertz-Mindlin無滑移“軟球”模型[16-18],拖曳力模型采用精度較高的Gidspow曳力模型[19-20],材料基本參數(shù)均按表2設(shè)定。

表2 計(jì)算模型材料參數(shù)Table 2 Material parameters used in the model

圖12 圓形斷面巷道骨料灌注過程計(jì)算模型Fig.12 Model of aggregate pouring process in circular section tunnel

圖13所示為室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況,吻合程度較好。初始流速Vs=0.3 m/s下,誤差最大值δmax=2.15 mm,初始流速Vs=1.0 m/s下,誤差最大值δmax=1.61 mm,誤差源于室內(nèi)試驗(yàn)中進(jìn)水口的流速在小范圍內(nèi)波動(dòng),不能保持恒定不變,而在模擬試驗(yàn)中均考慮為理想情況,相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi),由此可認(rèn)定計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖13 室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)下的結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison between test and simulation results

2.2 骨料堆積形態(tài)演化規(guī)律模擬試驗(yàn)方案

實(shí)際工程中巷道斷面多為4 m×4 m的矩形斷面,斷面流速分布及骨料運(yùn)移規(guī)律在矩形、圓形兩種斷面形式下具有一定差異。因此數(shù)值模擬試驗(yàn)按照相似比1∶20設(shè)置計(jì)算域,如圖14所示,計(jì)算模型尺寸為0.2 m×0.2 m×4 m,設(shè)計(jì)了包含動(dòng)水流速、骨料粒徑和灌注速度等影響因素的模擬試驗(yàn)方案,對(duì)動(dòng)水中骨料運(yùn)移機(jī)制及流場(chǎng)演化規(guī)律展開進(jìn)一步研究。

圖14 矩形斷面巷道骨料灌注過程計(jì)算模型Fig.14 Model of aggregate pouring process in rectangular section tunnel

據(jù)文獻(xiàn)[8]工程經(jīng)驗(yàn),將初始流速Vs設(shè)定為0.3、0.5、1.0 m/s 3個(gè)等級(jí),可模擬小流量突水、大流量突水和骨料未接頂區(qū)高速水流的情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將骨料總體分為4個(gè)粒徑范圍(5～15、15～25、25～35、10～30 mm),為模擬一般性工況,粒徑級(jí)配按線性分布,單孔灌注速度Φ為0.5～2.5 kg/s。骨料灌注過程中保持進(jìn)水口流速恒定不變,灌注速度不變,突水通道內(nèi)始終為滿流狀態(tài)。為使結(jié)果具有對(duì)比性,將灌注總量統(tǒng)一設(shè)定為50 kg。

2.3 骨料灌注期間巷道內(nèi)速度場(chǎng)分布演化過程分析

如圖15所示,t=15 s時(shí),骨料堆積體已接近巷道頂部,但由于堆積長度較短,流場(chǎng)受影響范圍較小,程度較弱。此外,與骨料堆積體迎水坡處流場(chǎng)相比,背水坡處流場(chǎng)受到的“壓縮”程度更嚴(yán)重。t=35 s時(shí),過水?dāng)嗝娓叨炔蛔阍瓉淼?5%,頂部高速水流區(qū)范圍(動(dòng)水流速大于0.48 m/s)擴(kuò)大,此刻,水流攜砂能力已超過骨料堆積能力,骨料顆粒無法穩(wěn)定沉積在堆積體頂部。其中,顆粒在動(dòng)水中所承受的拖曳力和上舉力的大小,與顆粒在床面上所處的位置關(guān)系很大,突出在床面上的顆粒和位于其他骨料顆粒前沿的顆粒都是最容易起動(dòng)的[21],從圖15(b)中可以發(fā)現(xiàn)以上兩位置的顆粒速度均已接近0.4 m/s,顆粒在堆積體頂部表面做接觸質(zhì)、躍移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。隨著骨料堆積段水平向伸長,骨料灌注結(jié)束時(shí)流場(chǎng)受影響范圍已從灌注初期的堆積段附近擴(kuò)展為整個(gè)突水通道。由速度等值線分布可以發(fā)現(xiàn),骨料灌注期間巷道頂部高速水流區(qū)和底部低速區(qū)同步擴(kuò)大,高速水流區(qū)向前向下發(fā)展,低速水流區(qū)(動(dòng)水流速低于0.12 m/s)向前向上發(fā)展,由初始動(dòng)水流速所決定的中部主流區(qū)(動(dòng)水流速位于0.24～0.36 m/s)不斷被“壓縮”。

圖15 灌注期間骨料的堆積形態(tài)及速度場(chǎng)演化狀態(tài)Fig.15 Stacking morphology and velocity distribution at pouring stages

流場(chǎng)的水流攜砂能力與水流速度呈正相關(guān),而流速的潛在增長空間取決于初始流速。如圖15(a)所示,初始流速0.3 m/s的動(dòng)水環(huán)境中以1.0 kg/s灌注骨料,骨料堆積高度已超過160 mm,占巷道總高80.0%,頂區(qū)流速達(dá)0.48 m/s為初始流速的1.6倍,骨料堆積高度仍不斷增大,由此判斷水流攜砂能力小于1.0 kg/s。在圖16(a)中,初始流速1.0 m/s,骨料堆積高度69 mm,僅占巷道總高的34.5%,頂區(qū)流速達(dá)初始流速的1.8倍,此時(shí)骨料堆積高度停止增加,水流攜砂能力已超過1.5 kg/s。在圖16(b)、圖16(c)中,灌注速度分別為2.0 kg/s和2.5 kg/s的堆積體,極限高度相差5.64 mm,僅為巷道總高的2.82%,而圖16(c)中的高速水流區(qū)范圍(流速超過1.80 m/s)向下發(fā)展已延伸至堆積體內(nèi)部,覆蓋了堆積體頂部的部分顆粒,面積是圖16(b)中的2.35倍,表明初始流速較高的流場(chǎng)對(duì)堆積高度的變化更敏感,水流攜砂能力的增長空間更大。

圖16 不同灌注速度下5～15 mm骨料堆積形態(tài)及巷道內(nèi)流速分布Fig.16 Morphology of 5～15 mm particles at different filling speeds and velocity distribution

為分析骨料堆積“生長”對(duì)斷面流速分布的影響,以初始流速0.5 m/s下灌注5～15 mm骨料為例,創(chuàng)建監(jiān)測(cè)線對(duì)巷道x=1.4 m處底部到頂部(z=0～0.2 m)的流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖17所示,t=2 s時(shí),骨料開始堆積,水流流經(jīng)骨料堆積體時(shí)受阻,進(jìn)而從堆積體頂部繞行,導(dǎo)致堆積高度以上區(qū)域流速增大,堆積體內(nèi)部流速降低。t=4 s時(shí),骨料堆積體底部流速減小為0,這是由于底部空間被堆積密實(shí)的骨料顆粒所占據(jù),存在于孔隙間的流體流動(dòng)受到限制。t=8 s時(shí),骨料堆積高度達(dá)到極限,堆積體內(nèi)部為低速滲流,流速穩(wěn)定在0.1 m/s左右。之后10～20 s,由于堆積高度不再增加,未接頂區(qū)域流速在1.3 m/s附近波動(dòng)。t=20 s,投料結(jié)束,堆積體頂部一定厚度的顆粒做層移質(zhì)運(yùn)動(dòng),頂區(qū)流速隨堆積高度下降呈懸崖式降低,最終維持在1.071 m/s左右,此時(shí)頂部僅有少量顆粒做隨機(jī)性運(yùn)動(dòng),該模擬與文獻(xiàn)[22-23]中理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。根據(jù)何文社等[24]的顆粒臨界起動(dòng)速度公式,5～15 mm顆粒起動(dòng)速度上限為1.073 m/s,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算公式值相吻合。

圖17 巷道斷面不同高度流速變化曲線Fig.17 Velocity at different heights in a section

2.4 骨料灌注期間巷道內(nèi)壓力場(chǎng)演化過程分析

在巷道中設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)面(x=1～3 m,間隔0.2 m),如圖18、圖19(a),t=1 s時(shí),巷道內(nèi)阻水段還未形成,水流在巷道中的流動(dòng)類似管道流,靜水壓力沿來水方向降低,其中,靜水壓力是以一個(gè)大氣壓(105Pa)為參考?jí)毫Φ南鄬?duì)壓力,任意兩點(diǎn)間的壓差等于兩點(diǎn)間的過水阻力,此阻力可以使流體沿?cái)嗝娴乃俣确植甲兊孟喈?dāng)均勻。如圖19(b)所示,t=10 s時(shí),骨料充填至巷道高度的一半以上,骨料堆積體阻水消壓作用逐漸顯現(xiàn),巷道內(nèi)局部過水能力減小,靜水壓力在堆積段發(fā)生突變,骨料堆積段兩端壓差增大至1 200 Pa,產(chǎn)生的壓差用于克服水流流經(jīng)堆積體所遇阻力做功。在迎水坡附近,水流受到骨料堆積體的阻擋,靜水壓力較大,而在尾部背水坡形成了較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū),低速水流由于負(fù)壓作用回流形成順時(shí)針渦流,該渦流區(qū)會(huì)定期脫落并隨堆積段向下游移動(dòng),致使堆積段下游的流場(chǎng)呈非穩(wěn)態(tài)流。t=20 s,堆積體所處位置壓差繼續(xù)增大,當(dāng)靜水壓力對(duì)堆積體產(chǎn)生的推力大于骨料堆積體與巷道壁面的摩擦力或堆積體內(nèi)部顆粒間的凝聚力時(shí),堆積體會(huì)發(fā)生垮塌,頂部大量松散的骨料顆粒被沖刷至更遠(yuǎn)的地方,這就要求其必須具有一定的長度以抵抗靜水壓力。

圖18 突水通道內(nèi)靜水壓力變化曲線Fig.18 Water pressure in water inrush roadway

圖19 灌注期間骨料堆積形態(tài)及壓力場(chǎng)演化狀態(tài)Fig.19 Stacking morphology and pressure distribution at pouring stages

3 結(jié)論

(1) 初始流速0.3 m/s的突水通道中,骨料灌注后在投料孔右側(cè)30 mm范圍內(nèi)沉積,初始沉積位置距投料孔的距離與骨料粒徑和投料漏斗口徑的關(guān)系不顯著。而在1.0 m/s的大流速環(huán)境中,投料漏斗口徑越大,骨料粒徑越細(xì),骨料初始沉積位置與投料孔間的距離越小;相同粒徑下,增大投料漏斗口徑,沉積位置最大可減小至原來的11%。

(2) 灌注初期骨料堆積體的形成方向與動(dòng)水流速和灌注速度密切相關(guān),當(dāng)水流速度大,灌注速度小,堆積體會(huì)呈現(xiàn)先逆水流方向增長,待水平向延伸至投料孔底部附近后,轉(zhuǎn)為順?biāo)鞣较蛏L的態(tài)勢(shì);流速過低則會(huì)提前接頂并堵孔,只有灌注速度與流速相匹配,堆積體垂向與水平向同步增長,才可達(dá)到截流的目的。

(3) 試驗(yàn)探究了相同骨料灌注總量下堆積體極限高度隨灌注速度增大的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在1.0 m/s大流速動(dòng)水環(huán)境中,雖然由于水流攜砂能力隨堆積高度增加同步增強(qiáng),增大漏斗口徑(18、24、30、36 mm)所帶來的高度的增幅逐級(jí)遞減,但灌注結(jié)束時(shí),36 mm大口徑投料漏斗下形成的骨料堆積體,其極限堆積高度與18 mm口徑下相比,增幅仍超過41%。而在0.3 m/s小流速條件下,增幅僅為20.69%。

(4) 初始流速1.0 m/s的流場(chǎng)對(duì)骨料堆積高度的變化更敏感,堆積高度僅為巷道總高34.5%時(shí),頂區(qū)流速已達(dá)初始流速的1.8倍,而骨料堆積體內(nèi)部不同高度處流速基本相等,僅為初始流速的1/5;流場(chǎng)內(nèi)壓差伴隨著堆積段水平向伸長呈線性增長趨勢(shì),壓差增大會(huì)造成骨料堆積體背水坡處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)進(jìn)而形成順時(shí)針渦流,這會(huì)使背水坡處骨料顆粒發(fā)生急速顫動(dòng),不能穩(wěn)定的附著于堆積體表面或懸浮于水中,不利于骨料堆積體接頂。