基于渗流失稳的突水溃沙进展分析

张潇+刘玉+司振华+侯广辉+何斌

摘 要：阐述了突水溃沙的重要性及意义，对于突水溃沙的研究现状进行总结，并分别从突水溃沙、水沙流动及渗流失稳的角度去揭示突水溃沙机理的现状，并进一步提出揭示突水溃沙机理研究方向。

关键词：突水溃沙；渗流；二相流；研究现状

Abstract：The pager elaborates the importance of water and sand inrush， and sum up the research status of water and sand inrush. In order to reveal the mechanism of water and sand inrush， water and sand inrush， water and sand fluid， stability are respectively discussed. Research direction to reveal the mechanism of water and sand inrush is been put forward.

Key words： water and sand inrush， seepage， two-phase fluid， research status

1 突水溃沙研究意义

突水和溃沙事故对煤矿是重大的安全隐患，特别是对于我国西部干旱、半干旱地区，一方面极度缺水，另一方面还会造成严重的地质灾害。水沙在顶板采动裂隙或破碎岩体中运移初期是渗流，而后在合适的地质环境先会发生突变进而发生地质灾害。突水溃沙是水、沙混合物在采动裂隙中运动失稳的体现。本文从渗流失稳的角度研究突水溃沙现象，具体可分为突水溃沙、水沙流动和失稳机理三个方面进行阐述。

2 国内研究现状

2.1 突水溃沙方面

杨伟峰等[1]、隋旺华等[2-3]从流体角度去研究，在不同条件下利用胶结砂层进行了室内研究突水溃沙机理试验，得到了不同压力条件的流动规律及突沙的临界水力坡度。另外，隋旺华等[4]、许言春等[5]从突沙口结构去分析得到了不同的结论，他们认为突沙的初始位置至关重要。

2.2 水沙流动

水沙在裂隙中的流动特性研究极为重要，水沙作为二相流动介质，而二相流的探讨研究，又能够有效地利用在能源工程、水利工程、环境工程等科学领域。研究的主要理论模型包括：连续介质模型、离散颗粒模型（颗粒轨道模型）、流体拟颗粒模型。

连续介质模型所采用的方法，主要是用来论述离散的沙粒的各种运动情况。连续介质模型的类别主要包含两种：单流体模型和双流体模型。单流体模型在学术上有非常多的研究成果，并且有很重要的价值。这篇文章主要阐述对双流体模型的研究成果。余锡平等人[6]在他们的成果，即动力学研究与进展中，主要说明了悬沙浓度、泥沙沉降速度以及各相间作用力随时间的变化规律。

离散颗粒模型（颗粒轨道模型）中，存在着流体相和颗粒相，通过研究，二者主要通过相互作用力实现互相耦合，不过二者的描述方法不一致，主要用连续介质力学方法描述流体相，用颗粒轨道模型描述颗粒相。离散颗粒模型是在统计分析了大量的离散的颗粒，通过一些列的相关的试验调查，最后经过分析得到平均的颗粒运动过程。概括性的说，离散颗粒模型在数学界的范围上就只是属于一种简单的方程形式，但是由于这种形式具有一定的复杂性，人为的计算工作量比较大且困难，想要得出精确的结论，这个是很困难的。

流体拟颗粒模型最主要的目的是保证流体的运动具有一定的连续性和稳定性。这种模型主要是通过流体微团和固体颗粒的质点运動方程来描述说明。流体拟颗粒模型中的相互作用力是这种模型是否顺利试验的重要保障。流体拟颗粒模型目前在国内外还在不断的发展研究阶段，现有的研究比较少。

通过以上文章阐述，目前国内外水沙混合物流动在河流和管道中的试验、理论分析和数值模拟等方面的研究成果以及进展都是非常可观的，但是相对来说，对于水沙混合物在裂隙中的渗流问题，目前还是处于起步阶段，需要我们更进一步的去发掘研究。

2.3 渗流失稳

孔海陵、陈占清等人[7]初步探讨了承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系，他们认为当某一岩层的渗透率比其他岩层低一个量级，而非Darcy流因子比其他岩层高两个量级时，该岩层的渗透性参量对岩体渗流的稳定性起支配作用，并参照承载关键层的提法，将这一岩层成为渗流关键层。缪协兴等[8]通过对破碎岩体中气体渗流的非线性动力学的研究，他们总结了多方面的关于渗流失稳的观点，并且成功的阐述说明了关于瓦斯突出的原理及其发生条件等。

从上面所论述的所有具体试验以及本人的个人观点来看，渗流失稳可以对突水、瓦斯突水机理方面做出相对合理且正确的解释说明，但是，目前还没有人利用这一原理对突水溃沙的现象及原因进行解释探讨。

3 结束语

突水溃沙的机理远没有被人们认识和掌握，本文从突水溃沙、水沙二相流和渗流失稳机理三个方面阐述了突水溃沙的重要性及意义。突水溃沙的研究是个巨大并且复杂，而且极其有意义和作用的过程，目前对突水溃沙的发生机理，我们还一直在不断地深入探讨，特别是水沙在裂隙或破碎岩体的运移规律，研究偏少；借鉴水沙二相流在河流领域的研究成果，结合渗流失稳理论，是揭示突水溃沙机理一个新方向。

参考文献

[1]杨伟峰，隋旺华，吉育兵，等.薄基岩采动裂隙水沙流运移过程的模拟试验[J].煤炭学报，2012，37（1）：141-146.

[2]隋旺华，蔡光桃，董青红.近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验[J].岩石力学与工程学报，2007，26（10）：2084-2091.

[3]隋旺华，董青红，蔡光桃，等.采掘溃砂机理与预防[M].地质出版社，2008.

[4]隋旺华，董青红.近松散层开采孔隙水压力变化及其对水砂突涌的前兆意义[J].岩石力学与工程学报，2008，27（9）：1908-1916.

[5]许延春，王伯生，尤舜武.近松散含水层溃沙机理及判据研究[J].西安科技大学学报，2012，32（1）：63-69.

[6]李勇，余锡平，林缅.波浪作用下悬移质泥沙运动的两相流数值模型[J].动力学研究与进展，A辑，2010，25（2）：224-230.

[7]孔海陵，陈占清，卜万奎，等.承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系初探[J].煤炭学报，2008，33（5）：485-488.

[8]李顺才，陈占清，缪协兴，等.破碎岩体中气体渗流的非线性动力学研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（7）：1372-1380.