煤巖體突水通道骨料灌注運移堆積機制試驗

蘇培莉, 楊述, 劉鋒

(西安科技大學建筑與土木工程學院, 西安 710054)

煤礦巷道發生突涌水事故后,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行截流降速,將巷道內的管道流變為滲流后,再進行注漿加固,徹底切斷水源與巷道間的水力聯系。

其中阻水段的形成是決定封堵成敗的關鍵,眾多學者在此方面進行了大量的試驗及理論研究工作,牟林[1]從骨料灌注期間的水力學狀態出發,對截流工程技術綜合優化等方面進行了研究,將截流過程分為了4個階段,即骨料灌注前的施工準備階段、鋪底-充填階段、骨料接頂階段、注漿加固階段;董書寧等[2]研制了過水巷道動水快速截流大型模擬試驗系統,該系統可實現過水巷道在不同突水水源條件下的快速截流模擬試驗;楊志斌等[3]針對突水巷道截流接頂困難這一技術難點,提出了截流、堵源同步進行的治理方案。為研究骨料灌注后在動水環境中的堆積過程,惠爽[4]、李維欣[5]設計研制了可視化的礦井淹沒巷道動水骨料灌注試驗平臺,從定性角度對骨料截流過程中的影響因素及堵水效果進行了分析。但由于室內試驗設備的局限性,不同時刻下骨料顆粒的運動速度及堆積體內部的水流速度難以通過試驗儀器精準測量,而獲取這些變量對后期注漿徹底封堵突水通道具有重要的指導作用。計算流體動力學-離散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM)的應用為解決這一問題,補充分析并描述顆粒在動水中的運移過程提供了技術途徑,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用。牟林等[6]基于CFD-DEM研究了骨料灌注過程及截流堵水機制,驗證了煤礦水害防治領域采用類似方法進行截流工程計算的適用性;楊志斌[7]利用CFD數值模擬軟件OpenFOAM和DEM數值模擬軟件LIGGGHTS研究了將保漿袋囊拋入巷道后的運移規律及流場變化特征以及保漿袋囊對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移堆積規律為主,而該方面的定量分析成果鮮有報道。鑒于此,現從骨料顆粒群的沉積位置、 “生長”方向等多角度出發對骨料堆積體在突水通道內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流場及壓力場的演化規律。

1 骨料堆積形態演化過程試驗

1.1 可視化骨料灌注試驗平臺設計

試驗平臺由突水通道、給排水系統、投料系統和骨料回收系統4部分組成,如圖1所示,突水通道采用亞克力材質透明圓管,管道內徑70 mm,長2 m。給排水系統由兩臺2.0 kW單向自吸泵和一個50 L儲水箱組成,兩臺自吸泵分別用于為試驗提供水源和作為排水泵將試驗廢水排出。投料系統由儲料桶、投料漏斗及稱重裝置組成。骨料回收系統由骨料過濾裝置和廢液桶兩部分組成。本試驗平臺可通過保持水箱水頭和調節閥門實現提供恒定流量的功能,主要用于研究骨料與動水相互作用下的骨料運移堆積問題。

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

1.2 試驗方案

據典型突水巷道截流堵水工程統計[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,未接頂區域流速可達初始流速的數倍以上。考慮到以上情況,將初始流速Vs設定為0.3、1.0 m/s兩個等級。煤巖體突水通道中灌注骨料時,骨料的最大粒徑應小于鉆孔內徑的1/3[9],因此選定0～2、2～5、5～8 mm 3個粒徑范圍骨料作為試驗材料。在實際工程及室內試驗中[10-12],人們通常并未對灌注速度Φ(kg/s)進行嚴格控制,僅規定了鉆孔直徑的大致范圍。灌注速度指單位時間內骨料顆粒做自由落體運動進入到突水通道內的總質量,單位為kg/s。因此下文室內試驗中均以投料漏斗口徑大小作為衡量灌注速度的標準,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,單位時間內進入到突水通道中的骨料重量越大。現針對不同粒徑骨料顆粒在各口徑漏斗下的灌注速度進行反復測試,確定了各口徑對應的灌注速度大致范圍,見表1。為使試驗結果具有對比性,限定骨料灌注總量3.0 kg。本試驗在兩個流速等級下對3個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24個工況。

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

骨料由投料孔進入突水通道后,其沉積運移規律與動水流速、粒徑及灌注條件密切相關。如圖2所示,初始動水流速Vs較大時,骨料沉積位置距離投料孔較遠,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個口徑漏斗投料,灌注量達0.5 kg時,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的11%。初始動水流速Vs=0.3 m/s時,骨料粒徑和灌注速度的改變對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。分析原因:骨料從投料孔進入突水通道后,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,進而被水流快速攜帶至較遠的下游處。下游區域流速較小,無法為保持骨料顆粒的運動狀態提供足夠的動能,因此骨料停止運移,開始沉積。另外,因為灌注速度不同,相同時間內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對比Fig.3 Comparison of initial deposition states of aggregates with different filling speeds

1.4 骨料運移堆積演化規律

骨料初始沉積位置不同,導致骨料堆積體初期形態差異明顯。如圖4所示描述了骨料在孔底附近沉積后,骨料堆積體順水流方向生長的情形。圖5所示為灌注初期骨料堆積體順水流方向形成示意圖。開始灌注后,由于初始流速較低,骨料在投料孔孔底附近①區沉積。隨著骨料的持續灌注,堆積高度增加(②區),過水斷面面積減小,頂區流速增大,水流攜砂能力增強。當水流攜砂能力與由灌注速度和骨料粒徑主導的堆積能力達到平衡時,后續灌注的骨料顆粒將無法沉積在堆積體頂部,堆積高度達到極限(③區)。繼續灌注骨料,骨料堆積體僅水平向伸長(④、⑤、⑥區)。

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水流方向形成過程示意圖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動水環境中灌注D=5～8 mm骨料時則會表現出另一種運移堆積形態。如圖6所示,描述了骨料進入通道后,在距離投料孔較遠的下游沉積,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),后續進入通道的骨料在移動時受到阻擋,停留在骨料堆積體迎水坡處(②區),因此骨料堆積體逆來水方向生長(③區)。當骨料從初始沉積區鋪滿至孔底時,骨料堆積體垂向高度同步增長至極限(④、⑤區),此后,骨料堆積體僅水平長度增加(⑥、⑦區)。

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

若骨料灌注速度遠大于水流的搬運能力,則會發生嚴重的堵孔現象,如圖8所示,隨著灌注過程的進行,通道內的過水斷面雖在不斷縮小,但頂部核區流速對應的搬運能力始終小于灌注速度,骨料難以被遠距離搬運,在孔底就近沉積后快速接頂堵塞投料孔,導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較高水平。因此應力求做到灌注速度、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水流攜砂能力與骨料堆積能力達到平衡,堆積高度不再變化時的值。所謂平衡,是指單位時間內,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態相等。圖9所示為極限堆積高度隨灌注速度變化情況,可以發現在高流速下,堆積高度對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的動水環境中,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動水環境中,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,逐級增大漏斗口徑進行灌注,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%,增幅逐級遞減,在灌注大粒徑骨料時,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,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 骨料堆積數值模擬試驗

由于室內試驗的局限性,很難全方位分析各因素對骨料運移過程、骨料堆積形態等的影響,鑒于此,本節結合CFD-DEM雙向瞬態耦合仿真方法[13-15],對室內試驗進行補充分析。此方法中流體運動采用歐拉方法描述,固體顆粒運動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,能夠準確獲取各網格單元的流速和壓強數據,以及顆粒的位置、速度以及受力情況[7]。模擬試驗中突水通道更接近實際工程,可以實時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 模型驗證

以動水環境中灌注2～5 mm骨料顆粒為例驗證數值模型的適用性及計算精度。如圖12所示,突水通道模型內徑70 mm,長2.0 m,對流體計算域進行非結構化立方體網格剖分,網格尺寸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],材料基本參數均按表2設定。

表2 計算模型材料參數Table 2 Material parameters used in the model

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

圖13所示為室內試驗與數值模擬試驗結果的對比情況,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,誤差源于室內試驗中進水口的流速在小范圍內波動,不能保持恒定不變,而在模擬試驗中均考慮為理想情況,相對誤差控制在5%以內,由此可認定計算模型的準確性。

圖13 室內試驗和數值模擬試驗下的結果對比Fig.13 Comparison between test and simulation results

2.2 骨料堆積形態演化規律模擬試驗方案

實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移規律在矩形、圓形兩種斷面形式下具有一定差異。因此數值模擬試驗按照相似比1∶20設置計算域,如圖14所示,計算模型尺寸為0.2 m×0.2 m×4 m,設計了包含動水流速、骨料粒徑和灌注速度等影響因素的模擬試驗方案,對動水中骨料運移機制及流場演化規律展開進一步研究。

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

據文獻[8]工程經驗,將初始流速Vs設定為0.3、0.5、1.0 m/s 3個等級,可模擬小流量突水、大流量突水和骨料未接頂區高速水流的情況。根據現場情況將骨料總體分為4個粒徑范圍(5～15、15～25、25～35、10～30 mm),為模擬一般性工況,粒徑級配按線性分布,單孔灌注速度Φ為0.5～2.5 kg/s。骨料灌注過程中保持進水口流速恒定不變,灌注速度不變,突水通道內始終為滿流狀態。為使結果具有對比性,將灌注總量統一設定為50 kg。

2.3 骨料灌注期間巷道內速度場分布演化過程分析

如圖15所示,t=15 s時,骨料堆積體已接近巷道頂部,但由于堆積長度較短,流場受影響范圍較小,程度較弱。此外,與骨料堆積體迎水坡處流場相比,背水坡處流場受到的“壓縮”程度更嚴重。t=35 s時,過水斷面高度不足原來的15%,頂部高速水流區范圍(動水流速大于0.48 m/s)擴大,此刻,水流攜砂能力已超過骨料堆積能力,骨料顆粒無法穩定沉積在堆積體頂部。其中,顆粒在動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的[21],從圖15(b)中可以發現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、躍移質運動。隨著骨料堆積段水平向伸長,骨料灌注結束時流場受影響范圍已從灌注初期的堆積段附近擴展為整個突水通道。由速度等值線分布可以發現,骨料灌注期間巷道頂部高速水流區和底部低速區同步擴大,高速水流區向前向下發展,低速水流區(動水流速低于0.12 m/s)向前向上發展,由初始動水流速所決定的中部主流區(動水流速位于0.24～0.36 m/s)不斷被“壓縮”。

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

流場的水流攜砂能力與水流速度呈正相關,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的動水環境中以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%,頂區流速達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%,頂區流速達初始流速的1.8倍,此時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)中的高速水流區范圍(流速超過1.80 m/s)向下發展已延伸至堆積體內部,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對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骨料堆積形態及巷道內流速分布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,創建監測線對巷道x=1.4 m處底部到頂部(z=0～0.2 m)的流速進行實時監測。如圖17所示,t=2 s時,骨料開始堆積,水流流經骨料堆積體時受阻,進而從堆積體頂部繞行,導致堆積高度以上區域流速增大,堆積體內部流速降低。t=4 s時,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的骨料顆粒所占據,存在于孔隙間的流體流動受到限制。t=8 s時,骨料堆積高度達到極限,堆積體內部為低速滲流,流速穩定在0.1 m/s左右。之后10～20 s,由于堆積高度不再增加,未接頂區域流速在1.3 m/s附近波動。t=20 s,投料結束,堆積體頂部一定厚度的顆粒做層移質運動,頂區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,此時頂部僅有少量顆粒做隨機性運動,該模擬與文獻[22-23]中理論計算的結果相吻合。根據何文社等[24]的顆粒臨界起動速度公式,5～15 mm顆粒起動速度上限為1.073 m/s,試驗結果與計算公式值相吻合。

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壓力場演化過程分析

在巷道中設置壓力監測面(x=1～3 m,間隔0.2 m),如圖18、圖19(a),t=1 s時,巷道內阻水段還未形成,水流在巷道中的流動類似管道流,靜水壓力沿來水方向降低,其中,靜水壓力是以一個大氣壓(105Pa)為參考壓力的相對壓力,任意兩點間的壓差等于兩點間的過水阻力,此阻力可以使流體沿斷面的速度分布變得相當均勻。如圖19(b)所示,t=10 s時,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,巷道內局部過水能力減小,靜水壓力在堆積段發生突變,骨料堆積段兩端壓差增大至1 200 Pa,產生的壓差用于克服水流流經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的負壓區,低速水流由于負壓作用回流形成順時針渦流,該渦流區會定期脫落并隨堆積段向下游移動,致使堆積段下游的流場呈非穩態流。t=20 s,堆積體所處位置壓差繼續增大,當靜水壓力對堆積體產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部顆粒間的凝聚力時,堆積體會發生垮塌,頂部大量松散的骨料顆粒被沖刷至更遠的地方,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及壓力場演化狀態Fig.19 Stacking morphology and pressure distribution at pouring stages

3 結論

(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30 mm范圍內沉積,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系不顯著。而在1.0 m/s的大流速環境中,投料漏斗口徑越大,骨料粒徑越細,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水流速和灌注速度密切相關,當水流速度大,灌注速度小,堆積體會呈現先逆水流方向增長,待水平向延伸至投料孔底部附近后,轉為順水流方向生長的態勢;流速過低則會提前接頂并堵孔,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,才可達到截流的目的。

(3) 試驗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。試驗結果表明:在1.0 m/s大流速動水環境中,雖然由于水流攜砂能力隨堆積高度增加同步增強,增大漏斗口徑(18、24、30、36 mm)所帶來的高度的增幅逐級遞減,但灌注結束時,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的流場對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,頂區流速已達初始流速的1.8倍,而骨料堆積體內部不同高度處流速基本相等,僅為初始流速的1/5;流場內壓差伴隨著堆積段水平向伸長呈線性增長趨勢,壓差增大會造成骨料堆積體背水坡處出現負壓區進而形成順時針渦流,這會使背水坡處骨料顆粒發生急速顫動,不能穩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。