高陽(yáng),張慶松,李術(shù)才,蔣宇靜
(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東 濟(jì)南,250061;2. 長(zhǎng)崎大學(xué) 工學(xué)研究科,日本 長(zhǎng)崎,8528521)
礦井巷道掘進(jìn)過程中含水構(gòu)造附近巖體溫度場(chǎng)的模型試驗(yàn)研究
高陽(yáng)1,2,張慶松1,李術(shù)才1,蔣宇靜2
(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東 濟(jì)南,250061;2. 長(zhǎng)崎大學(xué) 工學(xué)研究科,日本 長(zhǎng)崎,8528521)
分析含水構(gòu)造附近滲流作用影響下的熱擴(kuò)散理論,采用典型的流?固耦合相似材料配比和相似模擬試驗(yàn)架,完善光柵溫度、滲透壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)含水構(gòu)造附近的巷道掘進(jìn)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M,對(duì)掘進(jìn)過程中圍巖變形和滲流邊界條件改變引起的滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:含水構(gòu)造附近的巖體具有明顯的低溫異常特征;掘進(jìn)過程中,水體附近滲透壓力顯著降低,巖體的熱對(duì)流作用隨巷道開挖逐步加強(qiáng),巖體溫度逐步降低,但水體的溫度影響范圍變化較??;通過Peclet數(shù)的對(duì)比分析,為探測(cè)礦井突水提供了一種新途徑;對(duì)巷道掘進(jìn)中的巖體溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得出溫度法預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)公式,為巖體溫度法探水提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
巷道;巖體溫度法;水體預(yù)報(bào);模型試驗(yàn)
礦山突水災(zāi)害一直是我國(guó)煤炭生產(chǎn)中的重大技術(shù)難題之一。隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)量和煤層開采深度、難度的不斷增加,煤礦水害特大事故的發(fā)生更加頻繁,造成了生命、財(cái)產(chǎn)的巨大損失。由于我國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜,目前尚沒有成熟理論指導(dǎo)承壓水附近的煤層開采。而對(duì)突水災(zāi)害預(yù)報(bào)的主要方法有地質(zhì)分析法、紅外探測(cè)儀探水法、地質(zhì)雷達(dá)探水法、瞬變電磁法、震波CT法、直流電法等[1?4]。上述方法容易受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件或者儀器操作水平的干擾,對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果產(chǎn)生較大影響,往往造成了預(yù)報(bào)結(jié)果的多解性。礦井地下水體往往具有易于普通巖體的溫度特征,從而為采用巖體溫度法進(jìn)行含水體預(yù)報(bào)提供了可能。Coolbaugh[5]利用熱能對(duì)地下水進(jìn)行了追蹤;Zimmerman[6]提出了飽和巖體的熱傳導(dǎo)模型;Cermak等[7?9]通過鑿孔測(cè)量地溫,指出巖石性質(zhì)、地下水運(yùn)動(dòng)方式影響水平和豎直方向的熱傳導(dǎo)規(guī)律。柴軍瑞[10]從理論上分析了滲流場(chǎng)與穩(wěn)定溫度場(chǎng)相互影響、相互作用的機(jī)理。滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用于堤壩滲漏[11?14],通過簡(jiǎn)述溫度在堤壩中的異常特征,繪制反映堤壩異常的溫度曲線,判斷堤壩中可能存在滲漏。用巖體溫度法預(yù)報(bào)含水體在國(guó)內(nèi)已有部分專家進(jìn)行了相關(guān)研究:康永華等[15]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巖體溫度的方法,對(duì)存在突水隱患乃至發(fā)生突水時(shí)巖體溫度特點(diǎn)進(jìn)行分析。何發(fā)亮等[16]提出了隧道巖體溫度超前預(yù)報(bào)方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)。但這些研究以理論的感性認(rèn)識(shí)和探測(cè)結(jié)果的定性分析為主要方法和手段,沒有建立數(shù)學(xué)模型,在應(yīng)用上沒有計(jì)算結(jié)果,因此,本文作者通過室內(nèi)的模型試驗(yàn),研究了巷道掘進(jìn)過程中含水構(gòu)造附近滲流作用的變化及其對(duì)巖體溫度的影響,探討了通過巖體溫度的監(jiān)測(cè)進(jìn)行含水體的預(yù)報(bào),并為巷道突水預(yù)警提供了一種新途徑。
巖體在傳播熱量的過程中,傳播熱量的介質(zhì)是巖石,巖石熱傳播通常有3種途徑:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。巖石如果作為一種相對(duì)完整的固體,熱傳導(dǎo)始終是熱量傳遞的主導(dǎo)形式,其傳導(dǎo)規(guī)律符合傅里葉熱傳導(dǎo)定律,其一維傳熱方程為[17]

其中:cg為巖石的比熱容;ρg為巖石的密度;T為溫度;kg為巖體的熱傳導(dǎo)系數(shù);t為時(shí)間。
作為工程載體,在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化等作用下,巖體中發(fā)育各種節(jié)理、孔隙及各種地質(zhì)界面,為水體運(yùn)動(dòng)提供通道。而對(duì)巖石的開挖,會(huì)改變巖體的初始應(yīng)力場(chǎng),引起圍巖的變形甚至破壞,進(jìn)一步加劇巖體中地下水的運(yùn)動(dòng)。水體的存在與運(yùn)動(dòng)將使?jié)B透水流參與進(jìn)介質(zhì)系統(tǒng)中的熱量傳遞與交換,從而影響溫度的分布,此時(shí)巖體的傳播具有熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的雙重特征。巖體較為完整,將其簡(jiǎn)化為等效孔隙介質(zhì),流體以滲流形式運(yùn)動(dòng),其一維熱擴(kuò)散方程為[18](不考慮源匯項(xiàng)的情況下)

其中:ρw和cw分別為流體的密度和比熱容;vx為滲流速度;ke為巖體(巖石和水)的熱傳導(dǎo)系數(shù)[19];ρg,kg和cg分別為巖石的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱;kw為水的熱傳導(dǎo)系數(shù);n是孔隙率。
方程(2)中,左式第二項(xiàng)表示流體運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流效應(yīng)。
本試驗(yàn)采用三維流?固耦合模擬試驗(yàn)臺(tái),其長(zhǎng)×寬×高為1.5 m×1.2 m×1.0 m。對(duì)真實(shí)的地質(zhì)剖面進(jìn)行簡(jiǎn)化,巖層主要由覆巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、基巖組成,巷道長(zhǎng)度為100 cm,高度為8 cm(圖1)。
在模型試驗(yàn)中,由于相似材料填筑過程中需要分層夯實(shí),所以在模擬水體時(shí),內(nèi)置了箱型水體控制裝置,其表面密集排列透水孔。在距離巷道起始端55 cm,巷道頂部15 cm處設(shè)置含水構(gòu)造,其長(zhǎng)×寬×高為20 cm×10 cm×20 cm。在水箱表面安裝水流進(jìn)口、出口,向其內(nèi)部通入循環(huán)低溫水以保證水體溫度穩(wěn)定,同時(shí)在外部采用增壓水箱以提供恒定水壓力。
根據(jù)連續(xù)介質(zhì)流固耦合相似理論[20]:

式中,Cl為幾何相似比,Cl=100;Cu為位移相似比,Cu=100;CG為彈性模量相似比,CG=100;Cγ為容重相似比,Cγ=1;Ce為體積應(yīng)變相似比,Ce=1;CE為彈性模量相似比,CE=100;Cρ為密度相似比,Cρ=1;Ck為滲透系數(shù)相似比,Ck=0.1;Cλ拉梅常數(shù)相似比,Cλ=100。
為了滿足試驗(yàn)要求,采用流固耦合相似材料模擬巖層,砂子為粗骨料,滑石粉為細(xì)骨料,石蠟作為膠結(jié)劑、液壓油作為調(diào)節(jié)劑[21]。經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗(yàn),選出強(qiáng)度和滲透性等均滿足相似比要求的材料配比,符合工程實(shí)際的配比。整個(gè)模型試驗(yàn)材料巖性見表1。
由于傳統(tǒng)的電阻監(jiān)測(cè)元件無法保證在含水條件下正常工作,試驗(yàn)采用新型光纖測(cè)溫計(jì)和光纖滲壓計(jì)。光纖測(cè)溫計(jì)(精度0.1 ℃)和滲壓計(jì)(精度0.2 kPa)對(duì)稱埋設(shè)于巷道掘進(jìn)方向的兩側(cè)5 cm深度處,以降低外界環(huán)境(空氣溫度等)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響,如圖2和表2所示。為便于后期數(shù)據(jù)分析,在圖2中增加一水平坐標(biāo),將巷道的開挖起點(diǎn)設(shè)為0點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)從右至左為1~15。
試驗(yàn)開挖步驟如下。
(1) 試驗(yàn)前,校準(zhǔn)并運(yùn)行整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),記錄試驗(yàn)的背景數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將時(shí)間調(diào)整一致,便于后期對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析處理。
(2) 試驗(yàn)開始后,向模型內(nèi)置水體注入低溫水為初始時(shí)刻,同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。
(3) 各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,表明整個(gè)試驗(yàn)?zāi)P瓦_(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài),形成初始溫度場(chǎng)。然后開始進(jìn)行采場(chǎng)開挖。每次進(jìn)尺3 cm,每次開挖待各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開挖下一步直至結(jié)束。
在整個(gè)試驗(yàn)過程中,保證模型內(nèi)置水體的水溫和壓力穩(wěn)定。

圖1 模型試驗(yàn)架(正視圖)Fig. 1 Model test device

表1 模型材料的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of model material

圖2 監(jiān)測(cè)元件布置示意圖(側(cè)視圖)Fig. 2 Schematic diagram of key monitoring points

表2 監(jiān)測(cè)元件布置清單Table 2 List of FBG sensors
巷道掘進(jìn)時(shí)的滲透壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。由圖3可以看出:巷道開挖前,監(jiān)測(cè)點(diǎn)4,6,10處的初始滲透壓力隨著水體距離的增大而逐漸降低,這表明初始的滲流場(chǎng)是以水體為中心的水力梯度曲線。
當(dāng)巷道進(jìn)尺為35 cm時(shí),巷道迎頭和頂板有明顯的滴水現(xiàn)象,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)4和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的滲透壓力也隨之下降。這是由于巷道的開挖改變了滲流場(chǎng)的邊界條件,即迎頭處的邊界條件變?yōu)橥杆吔?。滲流場(chǎng)產(chǎn)生變化,導(dǎo)致滲透壓力降低,從而使距離水體最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6處的滲透壓力降低。而內(nèi)置水體位于水平位置55~75 cm處,這說明當(dāng)巷道掘進(jìn)至水體前方20 cm(即進(jìn)尺35 cm)左右時(shí),水體附近滲透壓力開始降低。
隨著巷道逐步掘進(jìn),巷道內(nèi)部滴水段增大,水量也增多,監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、監(jiān)測(cè)點(diǎn)6滲透壓力進(jìn)一步下降。當(dāng)進(jìn)尺為60 cm時(shí),滲透壓力將至最低點(diǎn)后基本保持穩(wěn)定。巷道穿過水體后,水體附近滲流場(chǎng)基本保持穩(wěn)定。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)10由于距離水體較遠(yuǎn),滲透壓力較低。盡管滲透壓力隨著巷道掘進(jìn)也逐步降低,但其變化幅度較小,巷道掘進(jìn)過程中的突變特征不明顯。

圖3 巷道掘進(jìn)時(shí)的滲透壓力監(jiān)測(cè)曲線Fig. 3 Seepage pressure during excavation
3.2.1 開挖過程中巖體溫度場(chǎng)分析
巷道開挖前,模型內(nèi)部溫度場(chǎng)穩(wěn)定后形成初始溫度場(chǎng),如圖4所示。在距離水體遠(yuǎn)端,水平位置20 cm處(監(jiān)測(cè)點(diǎn)15),溫度為23 ℃,與室內(nèi)溫度相同,該處溫度幾乎沒有受到低溫水的影響。在水平位置20~35 cm段,巖體溫度逐漸緩慢降低。由3.1節(jié)可知:巷道進(jìn)尺為35 cm時(shí),巷道初次發(fā)生滲水同時(shí)滲透壓力產(chǎn)生顯著變化,這說明在水平20~35 cm段,滲流作用較弱。因此,該段的巖體溫度變化主要由巖石骨架熱傳導(dǎo)為主。在水平位置35~45 cm處(距離水體20~15 cm處),巖體溫度場(chǎng)曲線突降至15 ℃左右。這是由于水體附近的巖體中存在較為強(qiáng)烈的滲流作用,主要表現(xiàn)為開挖至該區(qū)域時(shí)巷道周邊產(chǎn)生的滲水現(xiàn)象。滲流作用同時(shí)伴隨著熱對(duì)流,在熱傳導(dǎo)(巖體)和熱對(duì)流(滲流)作用下,巖體溫度受到低溫水體的降溫效果明顯。巖體溫度的變化必然會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的相應(yīng)變化,但由于此次試驗(yàn)水體溫度變化相對(duì)較小,不足以引起應(yīng)力和滲流的明顯變化,忽略溫度變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。
由圖4可知:當(dāng)巷道進(jìn)尺60 cm時(shí),水體附近巖體(水平位置35~80 cm)溫度進(jìn)一步降低,但發(fā)生降溫的巖體范圍變化很小。這是由于巷道的開挖至水體附件后,巷道頂部和側(cè)壁發(fā)生滲水(見圖5),邊界條件的變化引起滲流場(chǎng)的擾動(dòng)。同時(shí)巷道的開挖必然會(huì)改變圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng),在巷道表面,巖體受載時(shí)導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞,在卸載時(shí)裂隙充分?jǐn)U展,滲透性保持在較高水平并沿徑向隨深度逐步降低[22]。巖體中滲透性的提高和邊界條件的改變導(dǎo)致滲流速度加快,熱對(duì)流作用加強(qiáng),巖體溫度進(jìn)一步降低[23]。在距離水體較遠(yuǎn)處,如水平位置20~35 cm段,其溫度降低幅度較小,巷道內(nèi)部滲水區(qū)域也未發(fā)生顯著變化,即該段并未發(fā)生明顯的滲流作用,熱擴(kuò)散仍是以熱傳導(dǎo)為主。這說明此次試驗(yàn)中巷道的開挖并對(duì)滲流作用的區(qū)域產(chǎn)生較大影響。
當(dāng)巷道掘進(jìn)尺100 cm時(shí),滲流導(dǎo)致的熱對(duì)流效應(yīng)最為顯著,巖體降溫范圍達(dá)到最大,巖體溫度下降至最低。
3.2.2 不同埋深處巖體溫度特征分析
監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處,距離巷道側(cè)壁埋深2 cm,5 cm,7 cm布置3個(gè)光纖溫度計(jì)8a,8b,8c進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出:溫度從低到高依次為8a,8b,8c,這說明巖體溫度隨埋深逐步升高。巷道側(cè)壁處巖體同時(shí)受到較高溫度空氣的升溫作用和低溫水滲流引起的降溫作用。監(jiān)測(cè)點(diǎn)8a(2 m埋深)位于水體正下方,距離水體最近,埋深也最淺,即該處滲流的熱對(duì)流(降溫作用)和空氣向巖體的熱傳導(dǎo)(升溫作用)最顯著。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)8a處巖體溫度最低,表明在強(qiáng)滲流區(qū)域,滲流引起的熱對(duì)流降溫作用要大于空氣的熱傳導(dǎo)升溫作用,即滲流引起的熱對(duì)流在熱擴(kuò)散過程中占主導(dǎo)作用。

圖4 不同進(jìn)尺時(shí)巖體溫度場(chǎng)曲線Fig. 4 Temperature curves of rock mass in different advance

圖5 巷道穿越水體底部時(shí)頂板滴水Fig. 5 Roof seepage when tunnel passing bottom of water

圖6 巷道掘進(jìn)過程中不同深度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig. 6 Change of temperatures of monitoring points in different depths during excavation
巷道掘進(jìn)至水體附近時(shí),巷道的開挖導(dǎo)致水力邊界條件的變化,從而引起滲流場(chǎng)的變化,并使巖體溫度場(chǎng)同時(shí)受到巷道開挖過程的影響。因此巖體溫度場(chǎng)問題同時(shí)涉及空間域和時(shí)間域,使該問題的反演變得極為復(fù)雜,很難總結(jié)其中的規(guī)律。因此,首先將穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)作為研究對(duì)象。穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)中,即溫度分布不再隨時(shí)間發(fā)生變化,即令式(2)中?T/?t=0,可得其中,Pe即Peclet數(shù),表示熱對(duì)流導(dǎo)與熱傳導(dǎo)之比;C2+C1表示溫度曲線發(fā)生突降點(diǎn)處的溫度;C2為含水體處巖體的溫度;L為特征長(zhǎng)度[24],在此可以定義為表示水體的溫度影響范圍,該實(shí)驗(yàn)中假設(shè)為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最小間距5 cm。
針對(duì)滲流作用顯著的區(qū)域(同時(shí)具有熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,即水平位置35~80 cm段),根據(jù)式(8)對(duì)變溫區(qū)域的巖體溫度場(chǎng)進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖7所示。圖中,為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,將溫度的突降點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)13)處設(shè)為坐標(biāo)0點(diǎn)。

圖7 掘進(jìn)過程中巖體溫度分布散點(diǎn)圖Fig. 7 Temperature of rock mass during excavation
從圖7可以看出:隨著巷道掘進(jìn),Pe逐漸增大(由 0.55上升至0.93),滲流效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。通過對(duì)巷道掘進(jìn)過程中Pe得對(duì)比分析,可以對(duì)巖體中的滲流作用的強(qiáng)弱變化進(jìn)行有效監(jiān)控。這為礦井突水的預(yù)警提供了一種新的途徑。
在實(shí)際工程應(yīng)用中,Pe/L應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)修正。采用式(9),即可將溫度探測(cè)資料用于在該地質(zhì)開采條件下前方含水體的預(yù)測(cè)。
(1) 含水構(gòu)造附近的巖體具有顯著的低溫異常特征。距離水體20cm處,巖體溫度場(chǎng)曲線發(fā)生突降。
(2) 巷道開挖導(dǎo)致頂板巖體的變形和滲流邊界條件的變化,從而導(dǎo)致水體附近處滲透壓力開始明顯降低。
(3) 巷道頂部和側(cè)壁發(fā)生滲水,必然引起滲流場(chǎng)的擾動(dòng)。巖體中滲流速度加快,熱對(duì)流作用加強(qiáng),巖體溫度進(jìn)一步降低。但由于巷道頂部巖體變形較小,并未產(chǎn)生明顯裂縫,滲流場(chǎng)的影響范圍并未明顯變化。
(4) 在強(qiáng)滲流區(qū)域,滲流引起的熱對(duì)流降溫作用要大于空氣的熱傳導(dǎo)升溫作用,即滲流引起的熱對(duì)流在熱擴(kuò)散過程中占主導(dǎo)作用。
(5) 通過分析采場(chǎng)的巖體溫度場(chǎng)曲線異常變化,可以對(duì)含水構(gòu)造的存在進(jìn)行判定。通過分析Pe的變化,為礦井突水預(yù)警提供了一種新途徑。應(yīng)用擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)修正,實(shí)現(xiàn)基于巖體溫度法的地下水預(yù)報(bào)。
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(編輯 趙?。?/p>
An experiment of temperature field of rock mass near water-bearing structure during roadway excavation
GAO Yang1,2, ZHANG Qingsong1, LI Shucai1, JIANG Yujing2
(1.Research Center of Geotechnical & Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. Department of Civil Engineering, Nagasaki University, Nagasaki 8528521, Japan)
The process of thermal diffusion in rock masses influenced by excavation around the water-bearing structure was investigated. Similarity material for typical H-M (hydro-mechanical) coupling experiments was perfected and the monitoring system of fiber brag grating (FBG) temperature sensors and FBG seepage pressure sensors were improved and used in this experiment. The roadway excavation around the water-bearing structure was simulated. The variation of the seepage field and temperature field caused by the rock deformation and change of seepage boundary conditions were analyzed. The rock mass adjacent to the water-bearing structure has low-temperature comparing with the far-field rock mass. During the excavation, the seepage pressure around the water-bearing structure decreases and the thermal convection increases. As a result, the temperature of rock mass reduces gradually with small changes in the scope affected by the water with the excavation. A new method for the forecast of water inrush is proposed by analyzing the Peclet value. The temperature fitting curve of rock mass is concluded in the end. It provides the theoretical foundation for the forecasting water with rock mass temperature.
roadway; rock temperature method; water forecast; model experiment
TD74
A
1672?7207(2014)02?0550?07
2013?05?25;
2013?09?10
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272385);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-0317);山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2012ZD041)
張慶松(1970?),男,山東費(fèi)縣人,博士,教授,從事隧道災(zāi)害預(yù)報(bào)與防治研究;電話:0531-88399181;E-mail:zhangqingsong@sdu.edu.cn