裂隙内部溃砂运移特点及应力波动研究*

李 智 隋旺华 张新佳

LI Zhi①② SUI Wanghua①② ZHANG Xinjia①②



裂隙内部溃砂运移特点及应力波动研究*

李 智①②隋旺华①②张新佳①②

随着近年来煤炭资源的开采逐渐向西部地区发展，溃砂灾害的防治也越来越受到关注。本文通过自行设计的裂隙溃砂试验装置用两种石英砂颗粒以及3种天然砂样进行了溃砂试验，探究了溃砂的影响因素、运移特点以及裂隙内部应力变化规律。两种石英砂颗粒的试验表明，溃砂速度的大小主要取决于溃砂出口的宽度，总溃砂量取决于砂源区的砂量； 受裂隙倾角的控制，裂隙通道的开启方式有局部空间扩展、局部空间移动、直接溃砂3类。3种天然砂样的试验得出，溃砂后干砂和水砂流对裂隙壁的作用力自溃砂入口至出口呈减小的趋势； 根据应力变化规律将水砂流中颗粒的运移分两类：碰撞运移型，其裂隙内部应力存在波动； 连续运移型，裂隙内部应力变化连续。3种天然干砂溃砂时对裂隙壁存在周期性作用力，粒径大的颗粒对裂隙壁的作用力、应力波动幅值及应力波动周期均较大，运用Matlab插值分析得出应力波动频率约为3.2～3.6Hz。水砂流溃砂时仅粒径最大的砂样仍存在应力波动，频率减小为2.7～3.5Hz，应力受粒径的控制增幅较小。试验获得了影响溃砂的主要因素以及砂体运移规律和应力波动现象，有助于进一步了解溃砂机理及裂隙内部应力变化情况，对溃砂灾害的防治起到一定的指导作用。

溃砂 水砂混合流 应力波动

LI Zhi①②SUI Wanghua①②ZHANG Xinjia①②

0 引 言

溃砂是指近松散层采掘时含砂量较高的水砂混合流体溃入井下工作面并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害。近年来由于东部煤炭资源的大量消耗，煤炭资源的开采逐渐向西部地区发展。西部地区煤矿具有埋藏浅、顶板基岩薄、上覆松散层厚度大、地质构造简单、煤层厚度大的特点，在进行井下开采时裂隙带易贯通上覆松散砂层导致溃砂。

以榆林地区的哈拉沟、大柳塔、小纪汗等煤矿为代表的西部矿区在采煤工作面和巷道掘进过程中均不同程度地遇到了突水溃砂的问题。以哈拉沟煤矿为例， 2010年7月该矿某工作面发生溃砂事故，溃砂发生后在地表形成直径47m，深度12m的漏斗状塌陷。造成溃砂的主要原因就是该工作面布置在哈拉沟水源地附近，含水层较厚； 上覆基岩相对较薄，最厚处仅约40m； 松散层较厚，约40m左右且均为风积沙。上覆砂体遇水后形成流动性极强的饱和性水砂，沿顶板垮落后形成的顶板裂隙和基岩凹陷溃入工作面造成溃砂事故。

溃砂事故常具有突发性、灾害性以及灾后重建困难等特点，目前有诸多学者对溃砂做了各方面的研究，隋旺华等(2007, 2008a，2008b)研究了近松散层开采孔隙水压力变化对水砂突涌的前兆意义，提出上覆岩层的孔隙水压力可作为近松散层含水层开采溃砂灾害预警和监测的重要前兆信息。杨伟峰等(2012)进行了薄基岩采动裂隙中水砂运移过程的模拟试验，获得了不同类型的运移通道中水压力的变化以及裂隙通道中水砂流速与通道宽度的关系。梁艳坤模拟了6种不同直径的疏放水钻孔揭露4种不同含水砂层时溃砂量与钻孔直径和砂粒粒径之间的关系(梁艳坤等， 2011)。杨伟峰(2009)以太平煤矿厚松散含水层薄基岩为地质原型揭示了不同岩性组合薄基岩的采动破断机理，研究了水砂运移规律与通道大小等的关系。

另外，在采用工程地质学的方法研究溃砂灾害的同时也有学者将溃入井下的砂体作为流动颗粒进行分析，借助颗粒流的理论研究砂体运移。国内有学者等研究了通道开口宽度对二维颗粒流的影响，分析了在二维颗粒流稀疏流-密集流转变过程中开口角度的作用(胡国琪， 2006； 黄德财等， 2010)。有学者以泥沙启动理论为基础探讨了溃砂发生时砂颗粒的受力情况(伍永平等， 2004)。国外学者(Aronne et al.， 2008)通过无黏性颗粒和水的混合物在倾斜通道中的稳定流试验观察到颗粒混合流在通道中存在碰撞流动区域和摩擦流动区域，两者之间存在一个不稳定的过渡层。有学者对料斗中颗粒物质的速度、平均应力的波动特征进行了研究(Mollon et al.， 2013)。有学者通过高速摄像头和数字粒子图像测速技术测量不同内壁夹角的料斗内颗粒的流速在时间和空间上的分布，其成果表明即使料斗的内壁面非常光滑，颗粒物质在料斗内运移过程中仍存在颗粒的停滞区(Albaraki et al.， 2014)。还有学者通过示踪法和光弹法观察到了料斗中颗粒物质间存在应力链和应力拱(Francisco et al.， 2012)。另外， Mellmann et al.(2013)研究了颗粒集合体的抗剪、抗拉强度以及颗粒物质的形状对颗粒流流速的影响。

以上学者在研究溃砂时主要集中在影响溃砂的外部因素的变化，但对于溃砂后砂体自身的运移规律和砂体性质与裂隙壁性质间的相互作用研究相对较少。对颗粒物质的研究应用也多集中在制药、农业和建筑工业方面。本文在一定程度上借鉴颗粒流的研究方法，研究不同性质砂体在裂隙内的运移规律及影响因素，监测溃砂时砂体对裂隙壁的作用力及变化趋势。希望通过试验设计综合分析影响溃砂的外部因素和砂体自身运移规律，通过应力监测分析砂体与裂隙壁的相互作用，为溃砂机理的认识和溃砂灾害的防治起到一定指导作用。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

本文主要采用了两种不同粒径的人为破碎的石英砂和3种天然砂样。两种不同粒径的人为破碎石英砂用于研究溃砂的运移规律及影响因素(图1)。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)对碎石土和砂土的分类：一种可定为石英角砾，粒径范围为2～5mm； 一种为石英粗砂，粒径范围为1～2mm，两者均分选良好。

图1 石英砂

为保证砂样粒径范围与实际工程的相似，在研究裂隙内部的应力变化时采用了3种不同粒径的天然砂样，试验前所有砂样经过水洗、干燥处理。3种天然砂样的级配曲线(图2)，根据上述规范，砂样1可定名为圆砂，砂样2与砂样3可定名为粗砂，但砂样3粒径最小。

图2 天然砂样的颗粒级配曲线

1.2 试验设备与方法

采用正交试验研究溃砂规律及影响因素，试验装置(图3)。

图3 溃砂规律及影响因素试验装置

该装置主要包含砂箱、裂隙模块、电子称以及相机等。砂箱尺寸大小为长×宽×高=40cm×10cm×30cm，底部有一开口。模拟裂隙由有机玻璃板及3种不同粗糙度的纸张组合而成。纸张用于模拟不同的裂隙壁，模拟裂隙长×宽=48cm×9.5cm，裂隙出口的大小可调节。电子称灵敏度为0.5g，用于收集并实时称量砂体，相机用于记录裂隙间砂体的流动形态和电子秤读数。

试验前将溃砂出口堵好并填入试验砂样，确保每组试验砂样填入高度相同。将相机固定调节好后打开录像开始记录并开启溃砂出口，待溃砂结束后将残留的砂样清理干净并准备下一组试验，该部分试验组别(表1)。试验采集的数据为相机记录的视频文件。

表1 试验因素水平表

Table1 Levels of influencing

水平因素裂隙宽度/cm裂隙倾角/(°)裂隙夹角/(°)裂隙壁摩擦角/(°)符号ABCD10.545042216053531.5901032

在研究裂隙壁内部干砂溃砂的运移规律时，部分裂隙夹角较大的组别砂体运移过程中对裂隙壁产生了一定频率的冲击，这种周期性的作用力可能导致裂隙进一步发育。为放大这类作用力并进一步考虑水的影响，采用裂隙夹角为15°的垂直裂隙进行干砂和水砂流的溃砂试验。试验装置在前述装置上进行了部分改进，溃砂出口处宽度为2cm，长度为12cm。其余部分尺寸(图4)。

图4 水砂混合流试验装置示意图

采集系统包括FSR408型压力传感器及采集程序。在裂隙壁一侧等间距布置4个薄片状压力传感器，自溃砂入口至出口分别编为1～4号，其中1号传感器采集溃砂入口处应力变化， 2、3号采集裂隙内部的应力变化， 4号传感器采集溃砂出口处应力变化。传感器感应区尺寸为4cm×4cm，用塑料薄膜做好防水处理并与模板贴合平整、紧密。传感器实测值为压力值，精度为0.1N，经后期计算转换为应力值，数据采集频率为0.1s。试验时确保每组试验装入的砂量相同，溃砂试验前先将采集程序运行5s获得溃砂前通道中的应力状况后再开启溃砂出口采集溃砂过程中的应力变化。用相机记录整个试验过程，试验结果(表2)。

表2 试验方案及结果

Table2 Experimental scheme and results

含水量0%3%6%9%12%18%近似饱和砂样1YYYYY Y(已饱和)砂样2YNNNNYY砂样3YNNNNYY

1.3 试验方案

采用正交试验研究干砂溃砂的影响因素及运移规律，考虑溃砂出口宽度、裂隙壁摩擦角、裂隙夹角、倾角4个常见影响因素，每个因素设计3个不同水平，试验因素水平表(表1)。

本次试验中3种裂隙宽度分别为0.5cm、1.0cm和1.5cm。3种不同粗糙度的裂隙模板与砂样间的摩擦角分别为42°、35°和32°。将形态不规则的裂隙壁剖面简化为“V”字形，裂隙壁间夹角采用0°、5°和10°。为保证砂体能够流动，试验采用的裂隙倾角最小值为45°。

如表2所示，在应力波动规律的研究中则重点考虑砂样粒径、含水量两个因素。通过模拟干砂和水砂混合流在裂隙通道中的运移，对比分析水砂混合流和干砂流运移时裂隙内部的应力变化趋势和波动规律。在该部分试验中，为防止溃砂过程中粗糙裂隙面造成传感器感应区存在应力集中现象，在此仅考虑光滑裂隙壁，试验方案及结果(表2)。每种天然砂样自干砂逐渐增加含水量到砂样近饱和的状态，表中“Y”代表试验过程中发生了溃砂，“N”代表该试验组并未产生溃砂。

2 试验结果与分析

2.1 裂隙溃砂的影响因素与运移规律

2.1.1 溃砂影响因素分析

表3 溃砂正交试验表L9(34)

Table3 Quicksand orthogonal

编号因素宽度/mm倾角/(°)夹角/(°)摩擦角/(°)溃砂指标符号ABCD速度/g·s-1总量/g1A1B1C1D10.5450424237562A1B2C2D20.56053522156593A1B3C3D30.590103224473044A2B1C2D314553249169385A2B2C3D1160104278980196A2B3C1D219003523840527A3B1C3D21.545103553082778A3B2C1D11.56003229647009A3B3C2D31.59054217806094K速1169.0354.3192.0870.3K速单位为g·s-1K速2506.0435.3830.7329.7K总单位为gK速3868.7754.0521.0343.7极差D速699.7399.7638.7540.7K总15573.06323.74269.35956.5K总26336.56126.26230.35996.0K总36357.05816.77866.86314.0极差D总784.0507.03697.5357.5

以两种石英砂为材料，通过正交试验获得裂隙的宽度、倾角、夹角和裂隙壁摩擦角对溃砂速度和总溃砂量的影响程度。以石英粗砂为例，正交试验结果(表3)。其中K速1、K总1分别表示某因素在因素水平为1的情况下3个不同溃砂速度、溃砂总量的均值。D速1、D总1分别为某因素3个水平下溃砂速度、溃砂总量的极差，D值大表明该因素的影响占主导。

通过对表3的极差分析得出：溃砂速度的大小主要取决于溃砂出口的宽度，其极差最大，为D速=699.7g·s-1。其余影响程度依次为砂体与裂隙壁的摩擦角、裂隙夹角、裂隙倾角。总溃砂量的主要影响因素为裂隙夹角，极差为D总=3697.5g，其原因是裂隙夹角越大存储的砂量越多，总溃砂量也越大。

另外，根据石英粗砂的正交试验表3和石英角砾的正交试验表(文中未列出)得到如图5、图6 所示的平均溃砂速度、总溃砂量随4个因素不同水平的变化趋势。与正交试验表极差分析相似，分别对比图5、图6 中各影响因素下的平均溃砂速度和总溃砂量，其值变化范围越大表明该值所属因素的影响作用越大。

图5 溃砂速度随各因素水平的变化

图6 总溃砂量随各因素水平的变化

从图5 可看出， 两种石英砂样的平均溃砂速度均主要受裂隙宽度影响，且平均溃砂速度与裂隙宽度呈线性关系。裂隙倾角对两种石英砂的平均溃砂速度的影响最小，但随着裂隙倾角的增大平均溃砂速度仍近似线性增加。平均溃砂速度在一定范围内随着裂隙夹角的增加而增大，超过某一范围则呈减少的趋势。造成该现象的原因主要是该模型中裂隙夹角增大到一定程度后砂样总量增多，但试验中裂隙宽度增加的幅度相对较小，砂样在流动至裂隙出口处存在一定程度的阻滞，表明裂隙宽度为制约溃砂速度的瓶颈。

图6显示试验中两种石英砂样的总溃砂量均主要受裂隙夹角的影响，其次为裂隙宽度，但除裂隙夹角外其他3个因素的影响程度均较小。主要由于该试验中随着裂隙夹角的增大砂源区的砂量增加，影响溃砂总量的深层次的原因是砂源区砂量。该结论与实际情况相符，实际开采条件下，总溃砂量的多少主要受上覆砂源的控制。

对图5 和图6 的分析表明，溃砂的预防中最基本的一点是防止裂隙通道与富砂层的导通，而在溃砂发生后需要及时采取措施对溃砂通道进行封堵，减小通道宽度，降低溃砂速度，削弱并逐步消除与上覆砂层的联通，避免更大灾害的发生。

2.2 裂隙内部应力变化趋势分析

采用3种天然砂样用于研究裂隙内部的应力变化规律。如表2所示， 3种砂样的干砂以及不同含水量的砂样1均发生了溃砂且监测到应力波动。而水砂情况下，砂样2、砂样3在含水量达到18%时才开始溃砂，且未监测到应力波动现象。

分析产生了溃砂的干砂试验组和含水量接近饱和的试验组，其中砂样1在含水量达到18%时已饱和，砂样2、砂样3接近饱和时含水量约为24%。取溃砂后应力波动出现的极大值(无应力波动现象的试验组取采集到的极大值)为纵坐标，传感器的位置(以溃砂入口为起点)为横坐标绘制裂隙壁内的应力变化趋势得到图7。

图7 裂隙内部应力变化趋势

如图7a、图7b所示，干砂、水砂在溃砂过程中裂隙内部应力自溃砂入口至出口均呈减小的趋势。砂样1在两种情况下应力变化趋势相似且应力大小相近，主要由于砂样1受水的影响较小，其应力变化主要受粒径的控制，颗粒在两种情况下的运移规律相同。

而粒径较小的砂样2、砂样3形成的水砂流对裂隙壁的应力受含水量的影响明显，对裂隙壁的作用力比干砂流大。在干砂流和水砂流情况下，两者的应力变化趋势相似且均较为平缓，表明两种砂样溃砂时在裂隙内部运移形式相同，通过下文的进一步分析得出两种砂样颗粒呈连续运移形式。

3 分析与讨论

3.1 砂体运移规律分析

通过对两种石英砂试验所获得的视频文件进行图像分析可得出整个溃砂过程分为裂隙通道开启、裂隙间砂体流动、溃砂结束这3个阶段。而裂隙通道的开启方式可分为以下3种：局部空间扩展、局部空间移动和直接溃砂。

3.1.1 局部空间扩展

以石英粗砂的A1B1C1D1试验组为例(图8)。图中红色虚线内为溃砂后裂隙内部空间的变化，裂隙下段的砂体先溃出，其他部位的砂体从下到上依次流动，裂隙壁与砂体内产生空间并从下部到上部区域逐步扩展至砂源区，最后形成连通的空隙。该类型的溃砂速度均较小，小于300g·s-1。属于这一类有A1B2C2D2、A2B3C1D2以及石英粗砂的A1B1C1D1共5个试验组，其裂隙夹角为0°和5°，石英角砾的A1B1C1D1试验组未溃砂。

图8 局部空间扩展

3.1.2 局部空间移动

以石英角砾的A2B2C3D1试验组为例(图9)。裂隙通道开启机理与上一种基本一致，但流出砂体产生的空间并未扩展而是与空间上方的砂体交换位置，形成局部空间上移的现象，如图9 中虚线区内所示。裂隙虽被砂体充填但并未被堵塞，砂体仍处于流动状态且对裂隙壁有不断的冲击，呈现一定频率的脉冲现象，溃砂速度均大于400g·s-1。属于这类的有A2B2C3D1、A3B1C3D2、A3B3C2D3以及石英角砾的A2B1C2D3共7个试验组。其共同特点是裂隙夹角较大，为5°和10°。

图9 局部空间移动

3.1.3 直接溃砂

以石英角砾的A1B3C3D3试验组为例。砂体所受阻力较小，连续稳定且缓慢地直接流出，砂体与裂隙壁之间没有明显的空间产生，设备无振动现象。属于这一类型的有A1B3C3D3、A3B2C1D1、石英粗砂的A2B1C2D3共5个试验组，均为裂隙壁粗糙度较小的试验组，裂隙壁粗糙度为32°。

3.2 水砂流溃砂形态分析

结合2号传感器采集到的应力，对近似饱和的砂样1、砂样3的溃砂过程进行分析，砂样2与砂样3运移规律相同而未列出。如图11 为砂样1、砂样3溃砂时裂隙内部砂体形态示意图。砂样1溃砂时间较短，砂样2在溃砂进行到第22s后仍持续了较长时间且裂隙内部有残留砂体。

图10 直接溃砂

对于砂样1，如图11a从第11s溃砂进入尾声，裂隙内部的砂体自由面呈两边高中间低的“V”字型凹面，表明砂样1溃砂时在裂隙内部运移速度较快，各颗粒间水的黏聚力以及颗粒与裂隙壁间的摩擦力<自重应力。在裂隙出口处颗粒呈独立运动状态但溃砂过程连续不中断。砂样1的颗粒运移类属于碰撞运移型，采集到的应力如图11 左图所示存在周期性波动。

图12 水砂流应力变化曲线

对于砂样3，如图11b溃砂试验在第12s时砂体与砂箱内砂源分离，溃砂进入尾声。砂体自由面呈不规则的形状，颗粒间连接紧密并随着下部砂样的溃出裂隙内部砂样出现了层状裂隙。砂样3在裂隙壁出口处时断时续地溃出，且砂样中的裂隙随着溃砂的进行交替张开、闭合。表明在砂样3中各颗粒间水的黏聚力以及颗粒与裂隙壁间的摩擦力≦自重应力。

砂样3溃砂时采集到的应力如图12b 所示连续变化。表明砂颗粒集合体近似呈整体地与裂隙壁紧密接触，运动过程中颗粒间以及砂样与裂隙壁间的接触主要为相互摩擦，无较大碰撞，波动现象不明显。砂样2、砂样3情况相同，溃砂时颗粒的运动为连续运移型。

3.3 应力波动规律分析

3种天然砂样的试验中，布置于裂隙内部的2号传感器采集到的应力波动过程受砂量的影响较小、持续时间长，应力值较大，在此主要分析该传感器采集到的数据，初步探究溃砂时裂隙壁内部应力波动情况。

图13 干砂流应力变化插值曲线

运用Matlab将采集到的应力值进行插值加密得到光滑曲线用以进行应力波动规律分析。由于采集到的数据较多、应力波动范围较大，插值时采用样条插值，插值间隔为采集频率的一半即0.05s。如图13 所示，图中x轴最小刻度为0.1s，将插值得到的曲线进行处理得到应力波动振幅、周期的近似值。

据图13 所示，砂样1至砂样3溃砂后应力波动曲线的平衡位置值分别约为95Pa、60Pa、45Pa，振幅分别约为75Pa、35Pa、30Pa。表明干砂溃砂时应力波动的幅度和水平受粒径影响明显，粒径相对较大的砂样对裂隙壁的碰撞作用力大，应力波动幅度也大，对裂隙的潜在破坏作用更大。

统计插值曲线中所有应力峰值持续的周期并求其均值，图中标出了5个具有一定代表性的波动周期，由砂样1至砂样3溃砂时应力波动的周期分别集中在0.3～0.35s、0.2～0.35s、0.25～0.3s。统计结果显示，砂样1溃砂时应力波动平均周期约为0.31s，砂样2约为0.29s，砂样3约为0.28s。3种砂样溃砂时应力波动的频率约为3.2～3.6Hz。

图14 砂样1应力变化插值曲线

另外，砂样1在不同含水量下均产生了溃砂现象且监测到应力波动，采用同样的插值方法对2号传感器采集到的数据进行分析。图14 列出了砂样1的部分试验组在溃砂时应力波动的插值曲线。

统计结果显示，砂样1在加水后溃砂过程中应力波动周期在0.29～0.37s，即频率为2.7～3.5Hz，频率相比干砂时有所减小，表明在水的作用下颗粒对裂隙壁的碰撞概率变小。如图14c当含水量达到饱和时，砂样1溃砂时虽出现应力波动但周期变大，砂体颗粒表现出一定程度的连续运移型，采集到的应力波动现象减弱。

根据图13a和图14 中砂样1不同含水量情况下溃砂的应力波动曲线，得到波动曲线的振幅值、平衡位置近似值随含水量的变化趋势(图15)。

图15 振幅、平衡位置值随含水量的变化

图15表明砂样1的应力波动幅值随含水量的增加其变化不大，干砂溃砂时应力波动幅值大于水砂。但应力波动的平衡位置值表现出增加的趋势，表明随着含水量的增加砂样1溃砂产生的应力的平均水平呈现增加的趋势。但与砂样2、砂样3水砂流溃砂时相比，砂样1的应力增幅仍较小，表明影响砂样1对裂隙壁作用力的根本因素是颗粒粒径，而对于粒径较小的砂样2、砂样3对裂隙壁的应力主要受含水量的影响。

4 结 论

(1)正交试验极差分析得出，裂隙宽度为制约溃砂速度的瓶颈，总溃砂量则主要取决于砂源区的砂量。故溃砂的预防中最基本的是防止裂隙通道与富砂层的导通，在溃砂发生后要及时采取措施对溃砂通道进行封堵，降低溃砂速度，削弱并逐步消除与上覆砂层的连通，避免更大灾害的发生。

(2)受裂隙倾角的控制，裂隙通道开启方式可分为局部空间扩展、局部空间移动和直接溃砂3种方式。

(3)裂隙内部应力监测表明，砂样对裂隙壁的作用力自溃砂入口至出口呈减小的趋势。根据裂隙内部应力变化规律将水砂流中颗粒的运移分为连续运移型和碰撞运移型，本文中砂样1为碰撞运移型，对裂隙壁存在周期性碰撞，砂样2、砂样3为连续运移型，对裂隙壁的应力连续变化。

(4)干砂溃砂时对裂隙壁存在周期性碰撞，应力波动的幅值和水平主要受粒径影响。粒径大的颗粒对裂隙壁的碰撞作用力、应力波动幅值以及应力波动周期均较大。运用Matlab插值分析得出3种砂样干砂溃砂时应力波动频率在3.2～3.6Hz。

(5)水砂流情况下，砂样1对裂隙壁的作用力仍存在波动现象，但增幅较小，对裂隙壁的应力仍受粒径控制。其应力波动频率为2.7～3.5Hz，周期变长，当含水量近似饱和时表现出一定程度的连续运移状态。砂样2、砂样3对裂隙壁的作用力比干砂流大且主要受含水量的影响，应力波动现象不明显。

5 不足与展望

本次试验采用多种砂样为研究对象，获得了溃砂时裂隙内部颗粒的运移规律，并监测到了砂体对裂隙壁作用力的波动现象。试验结果有助于加深对溃砂机理的认识，为溃砂灾害的预防和灾害破坏程度的预估起到一定作用。但相比国外颗粒流和国内突水溃砂灾害研究，本次试验仍存在以下不足：

(1)西部矿区上部砂体主要为第四系风积沙，其粒径约为0.05～2mm，多为级配不良的匀粒砂，且含有黏粒。本次试验中所用砂样为人为破碎的石英砂和经筛分水洗过的砂样，所用砂样的粒径范围与实际场地相似，但微观成分存在差别，而实际溃砂运移规律可能还受黏粒的影响。

(2)由于试验条件和设备的影响，无法全部模拟出真实际情况下复杂多样的裂隙，且裂隙壁粗糙起伏并可能含有充填物，故试验结果与现实情况可能存在一定差异。

(3)不同试验组的应力波动周期和频率变化不够明显，数据采集精度需提高。试验主要模拟溃砂发生后裂隙内部的砂体运移规律和应力变化，对砂源区以上的地层和含水层的情况考虑较少，砂源区所处应力状况未予以考虑，造成测得的应力值偏小。

在以后的研究中，需要加强以下两方面：

(1)采用原地所取砂样，对裂隙壁面的模拟需要进一步细化，同时考虑上覆地层性质和砂源区所处应力状况。

(2)需要改进试验装置，提高监测精度，以便定性且定量地描述砂体运移规律和应力波动情况。

致 谢 感谢中国矿业大学资源学院的老师们在试验过程中提供的帮助和指导，整个试验过程中梁艳坤博士、袁奇硕士给予了悉心的指导和长期的关注。非常感谢刘德龙同学在试验过程中给予的无私帮助。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0992- 16

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON MOVEMENT AND STRESS FLUCTUATION OF QUICKSAND INSIDE FISSURE

In recent years， coal mining gradually has transformed from eastern region to western region of China and the quicksand disaster had received increasing attention. This paper presents a series of experiments on the influencing factors of quicksand and the stress inside fissures caused by quicksand. Two different man-made quartz sand and other three natural sand samples are used in two quicksand test equipment set ups designed by authors. The experiment with two man-made quartz sand shows that the speed of quicksand mainly depends on the width of outlet. The total amount of quicksand mainly depends on the sand resource. Controlled by the fissure dip angle， the opening pattern of the quicksand passage can be divided in three types： the local space expanding， the local space moving and quicksand directly． The experiment with three natural sand samples show that stress decreases along the entrance to the outlet of fissure model regardless of dry sand or sand and water mixture flow. According to the stress variation， the transportation of water and sand mixture can be classified into two type： the collision transporting type， such as sand sample 1，which observed stress fluctuation; the continuous transporting type， such as sand sample 2 and sample 3，the stress changes continuously. All the dry quicksand of three natural sand samples can cause stress fluctuations to the fissure. The stress， the amplitude and period of fluctuation are larger when quicksand formed by larger particle. The stress fluctuation frequency of dry quicksand are about 3.2～3.6Hz by interpolation analysis with Matlab. For sand and water mixture flow， the stress fluctuations are only monitored in sand sample 1. When the frequency reduced to 2.7～3.5Hz and controlled by the particle size， the stress raises with little range. The outcomes can contribute to understanding the movement mechanism of quicksand and the stress dynamic inside fissure. It also has an important guiding to avoiding and preventing quicksand disaster．

Quicksand， Sand and water mixture transportation， Stress fluctuation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.030

2016-06-12;

2016-07-25.

高强度开采下重大地质灾害的形成机理与预测(2013CB227903)资助.

李智(1990-)，男，硕士生，主要从事煤矿工程地质及突水溃砂灾害研究. Email: sclz3721@163.com

简介： 隋旺华(1964-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事煤矿工程地质水文地质和灾害地质方面的教学与研究工作. Email: suiwanghua@cumt.edu.cn

P642.2

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