应力-损伤-渗流耦合下采动弱胶结覆岩渗透性演化规律

作者

张世忠范钢伟张东升李文平范张磊
单位

中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学资源与地球科学学院
摘要

应力-损伤-渗流耦合作用下弱胶结地层采动覆岩渗透性演化是影响矿井保水开采的重要因素。以新疆伊犁四矿21103工作面弱胶结地层条件为背景，选取侏罗系弱胶结泥岩、砂岩，在分析全应力应变过程中弱胶结岩石渗透率变化规律的基础上，明确了弱胶结岩石孔隙结构、矿物组成对其渗透性的影响机理，建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型，研究了采动弱胶结覆岩渗透性演化规律。结果表明：围压5 MPa内，弱胶结岩石初始渗透率高，压密阶段渗透率大幅下降，最大降幅达91.5%,这与其初始孔隙率高、孔径大直接相关。同时，弱胶结岩石最大渗透率及残余渗透率与初始渗透率相比增幅较小，最大比值分别为4.51和4.17,这与岩石中高岭石、蒙脱石等水敏矿物遇水膨胀泥化造成部分导水裂隙弥合有关；基于弱胶结岩石基质可压缩融合、破裂等假设，定义了损伤变量D,建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型，有效表征了弱胶结岩石初始渗透率高而残余渗透率增幅较小的渗透特性；工程尺度下，弱胶结地层采空区在工作面回采后快速压实闭合，出现渗透率恢复区，且该区域渗透率仅为初始地层的1.1～1.2倍。当工作面连续推进长度大于面长时，覆岩渗透率增高区由“马鞍形”演化为“双V形”,并集中分布于开切眼前方及工作面后方25～30 m范围。研究结果可为弱胶结地层保水开采提供指导。
关键词

保水开采弱胶结地层应力-损伤-渗流耦合采动覆岩岩石渗透率
基金项目(Foundation)

国家自然科学基金项目(52204161)；国家重点基础研究发展计划项目(2015CB251600)；山西省揭榜招标项目(20201101009)；
文章目录

1 工程地质背景
2 全应力应变过程岩石渗透率变化特征
2.1 测试系统及方案
2.2 测试结果
2.3 渗透性变化机理
3 岩石应力-损伤-渗流耦合模型
3.1 基本假设
3.2 应力-损伤-渗流模型构建
3.3 损伤变量确定
4 采动弱胶结覆岩渗透率变化
4.1 数值计算模型构建
4.2 不同推进距离覆岩渗透率
5 结论
引用格式

[1]张世忠,范钢伟,张东升,等.应力-损伤-渗流耦合下采动弱胶结覆岩渗透性演化规律[J].采矿与安全工程学报,2024,41(06):1230-1240.
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