Nichtlineares Sickererosionsmodell des Wassereinbruchs unter Berücksichtigung der Partikelgrößenverteilung der Karstkollapssäule und ihrer technischen Anwendungen

Apr 04, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17078 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der Wassereinbruch durch die Karstkollapssäule ist eine der großen Katastrophen, die die Sicherheit der Produktion von Kohlebergwerken gefährden. Die Partikelgrößenverteilung der Karstkollapssäule ist eine ihrer grundlegendsten physikalischen Eigenschaften, die in starkem Zusammenhang mit der Partikelmigration steht und eine wichtige Grundlage für die Bewertung des Wassereinbruchrisikos der Kollapssäule darstellt. Die nichtlinearen Strömungstests von gebrochenem Gestein unter verschiedenen Gradationsbedingungen wurden mit einem speziell angefertigten Gerät durchgeführt und die Beziehungsgleichung zwischen nichtlinearen Strömungsparametern (Permeabilität und Nicht-Darcy-Faktor) und dem Talbol-Leistungsexponenten n erstellt. Es wurde ein nichtlineares Strömungsmodell mit variabler Wassereinbruchsmasse aus der Karstkollapssäule erstellt. Das räumlich-zeitliche Entwicklungsgesetz von Druck, Geschwindigkeit, Porosität und Konzentration unter Partikelverlust und der Einfluss der Partikelabstufung auf das Wassereinbruchsrisiko einer Karstkollapssäule in der Fan-Gezhuang-Mine wurden diskutiert. Während des Wassereinbruchs geht der Strömungszustand der Flüssigkeiten in der Karstkollapssäule allmählich von einer schwachen Trägheitsströmung zu einer starken über und wird schließlich zu einer turbulenten Strömung. Das auf einem einzelnen Strömungszustand basierende Strömungsmodell kann das Wesen des Strömungsregimeübergangs beim Wassereinbruch nicht widerspiegeln. Je größer n ist, desto stärker ist die Wasserdurchlässigkeit der Karstkollapssäule, desto schneller wandern die Partikel und gehen verloren, desto schneller entsteht der Strömungskanal mit hoher Porosität, desto kürzer ist die Zeit, in der der Wasserzufluss seinen Spitzenwert erreicht, und desto größer ist die Gefahr eines Wassereinbruchs.

Karst-Einsturzsäulen, eine einzigartige versteckte vertikale Struktur, die in den Kohlerevieren des borealen Permokarbon-Systems in China zu finden ist, sind in 45 Kohleabbaugebieten von 20 Kohlerevieren weit verbreitet1. Der Boden der Karstkollapssäulen liegt in einer Höhle aus löslichem Gestein. Im Allgemeinen kann es als stark wasserführender Kanal dienen, der nicht nur hydraulische Verbindungen zwischen einem Grundwasserleiter und einer Arbeitsfläche eines ordovizischen Kalksteins überträgt, sondern auch einen Wassereinbruch induziert. Beispielsweise verursachte der große Wassereinbruchsunfall „3·1“, der sich am 1. März 2010 in der Camel Hill Mine in der Stadt Wuhai in der Inneren Mongolei ereignete, 32 Tote, 7 Verletzte und einen direkten wirtschaftlichen Schaden von 48,53 Millionen RMB2. Am 10. September 2018 ereignete sich im Kohlebergwerk Xiaoyun in der Provinz Shandong ein Wassereinbruchsunfall aus der Flözsohle des Kohlestoßes 1313. Bei diesem Unfall erreichte der Spitzenwert des einströmenden Wassers 3.673 m3/h, was zu einem direkten wirtschaftlichen Verlust von bis zu 25,66 Millionen RMB3 führte.

Wissenschaftler im In- und Ausland haben den Wassereinbruch in Karstkollapssäulen eingehend untersucht. Wang4 untersuchte die Wassereinbruchregeln von Karstkollapssäulen am Boden und in der Kohledurchgangsschicht, indem er einen Labortisch für die Simulation des Wassereinbruchs in wasserführende Karstkollapssäulen entwickelte. Zhang5 entwarf ein dreidimensionales großformatiges experimentelles Simulationsmodell, um die Situation des Wassereinbruchs in der Karstkollapssäule im Kohlebergwerk Luotuoshan zu reproduzieren und sowohl den klinischen hydraulischen Druck als auch die Punkte des Wassereinbruchs zu erfassen. Der Wassereinbruch in Karstkollapssäulen wurde selten mithilfe von Ähnlichkeitssimulationsexperimenten untersucht, das Entwicklungsgesetz nichtlinearer Sickerparameter wurde jedoch häufig in Bezug auf gebrochene Gesteinsmassen untersucht. Beispielsweise entdeckte Moutsopulos6, dass sowohl lineare als auch nichtlineare Widerstandsterme in der Forchheimer-Gleichung dazu neigen, abzunehmen, wenn der Anteil großer Partikel in porösen Medien zunimmt, indem er nichtlineare Versickerungstests für akkumulative körnige poröse Medien verwendete. Neild7 kam auf der Grundlage von Forschungsergebnissen von Dupuit und Forchheimer zu dem Schluss, dass nichtlineare Versickerungsparameter empfindlich auf Veränderungen der Porenstrukturen reagieren. Der Prozess des Versickerns von zerklüfteter Gesteinsmasse geht in der Regel mit Veränderungen der Porenstruktur einher. Bai8, Yao9, Chen10 und Ma11,12 untersuchten variable Massenströme gebrochener Gesteinsmassen im Einklang mit dem Darcy-Gesetz. Über die Auswirkungen variabler Massenströme und Partikelgrößenverteilung gebrochener Gesteinsmassen auf nichtlineare Versickerungsparameter unter nichtlinearen Strömungsbedingungen wurde selten berichtet.

In der numerischen Simulation verwendete Huang13 nicht nur das Darcy-Gesetz, um das Sickerverhalten von Gesteinsmassen zu beschreiben, sondern konstruierte auch ein Gesteinsspannung-Gesteinsschaden-Sicker-Kopplungsmodell, das auf der Beziehung zwischen Gesteinsmassenschäden und Durchlässigkeit basiert. Auf dieser Grundlage wurde der Einfluss der Entwicklungshöhe und des Wasserdrucks der verdeckten Einsturzsäule auf den Wassereinbruch in den Kohleboden untersucht. Yao14 erstellte ein mechanisches Modell für Verformungen, Versickerungs- und Erosionskräfte, die durch den Wassereinbruch in Karstkollapssäulen unter Mehrfeldkopplungsbedingungen entstehen, indem im Allgemeinen die Verformung des Gesteinsskeletts, das Versickern von Wasser und die Migration von Füllpartikeln während des Versickerns von Karstkollapssäulen berücksichtigt wurden. Dennoch weist ihr Modell keine nichtlinearen Versickerungseigenschaften auf. Zhao15 erstellte ein Modell, das nichtlineare Kopplung von Sicker- und Leitungsströmen in einem vereint, indem er eine Fluid-Struktur-Kopplungstheorie, eine Strömungszustandsumwandlungstheorie und einen Festigkeitsreduktionsansatz von Gesteinsmassen kombiniert, um die Strömungszustandsumwandlungen von platzendem Wasser zu analysieren drucktragende Höhlen. Und betonte die Bedeutung einer Gesamtprozessanalyse der Strömungszustandsschwankungen und des Wassereinbruchs, um den Mechanismus des durchsickernden Wassereinbruchs aufzudecken. Das Team des Autors16,17,18 untersuchte einheitliche dynamische Eigenschaften für drei Strömungsfelder, nämlich wasserführende Schichten, wasserführende Kanäle und Fahrbahn, aus der Perspektive der Strömungszustandsumwandlung. Auf dieser Grundlage schlug Yang19 ein Strömungserosionsmodell des Wassereinbruchs in einer Bruchzone in der Jiangjiawan-Mine vor, das die Darcy-, ​​Forchheimer- und Navier-Stokes-Felder nach der Theorie der Kontinuumsmechanik und die Auswirkungen des Gesteinszerfalls und der gekoppelten Felder koppelt Strömungs- und Erosionseffekte wurden berücksichtigt. Das obige Modell berücksichtigt jedoch nicht den Einfluss der Partikelgrößenverteilung der Karstkollapssäule auf den Wassereinbruch.

Zusammenfassend gibt es zwei Mängel in der vorhandenen Literatur zum katastrophalen Mechanismus des Versickerns von Karstkollapssäulen. Erstens bleibt die Empfindlichkeit nichtlinearer Versickerungsparameter gegenüber der Partikelgrößenverteilung unklar; Zweitens ist der Mechanismus der Strömungszustandsumwandlung, der durch die Partikelmigration während des nichtlinearen Versickerns des Wassereinbruchs der Karstkollapssäule verursacht wird, noch unbekannt. Daher wurde in dieser Studie ein nichtlineares Versickerungstestsystem für poröse Medien verwendet, das unabhängig an der Northeastern University entwickelt wurde, um nichtlineare Versickerungstests an gebrochenen Gesteinsmassen unter verschiedenen Bedingungen der Partikelgrößenverteilung durchzuführen. Auf diese Weise wurde eine Gleichung aufgestellt, die die Beziehung zwischen nichtlinearen Versickerungsparametern und dem Talbol-Leistungsexponenten ausdrückt. Anschließend wurde ein nichtlineares Versickerungsmodell für die variable Masse des Wassereinbruchs in Karstkollapssäulen erstellt, um den Einfluss schneller und nichtlinearer Versickerungen und der Partikelgrößenverteilung auf die Gefahren eines durch Partikelverlust verursachten Wassereinbruchs in Karstkollapssäulen zu untersuchen. Schließlich wurde der katastrophale Mechanismus des Wassereinbruchs, der durch das Versickern von Karstkollapssäulen verursacht wird, aufgedeckt und eine Forschungsgrundlage für die Frühwarnung, Prävention und Kontrolle von Wassereinbrüchen in Bergwerken sowie eine vernünftige Vorhersage der Wassereinbruchsreichweite und Untersuchungen der Entwicklungsmerkmale geschaffen von Versickerungsfeldern unter komplexen hydrogeologischen Bedingungen etc.

Die Versuchsapparatur wurde an der Northeastern University in China durchgeführt und nutzte eine speziell angefertigte Apparatur zur Modellierung des Hochgeschwindigkeitssickerns in einem porösen Medium20. Es besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: der Versuchseinheit, dem Wasserversorgungssystem, der Datenmessausrüstung und der Aufzeichnungsausrüstung. Abbildung 1 veranschaulicht die Systemzusammenhänge und -prinzipien. Durchgehendes Blau steht für Wasser, rote Teile für Proben und blaue gestrichelte Linien für Schaltkreise.

Experimentelles schematisches Diagramm.

Karstkollapssäulen enthalten intern zerklüftete Gesteinsmassen unterschiedlicher Körnung, die einen hochdimensionalen Parameterraum bilden. Um den Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Permeabilität und die Nicht-Darcy-Faktoren zu untersuchen, wurde die Talbol-Gradationstheorie ausgewählt, um die Größenverteilung von Füllungen in Karstkollapssäulen zu beschreiben21:

Dabei ist pi der Massenanteil der Partikel in einem Partikelgrößenbereich der Gruppe i (%), di der Partikeldurchmesser (mm), dm der maximale Partikeldurchmesser (mm) und n der dimensionslose Talbol-Potenzexponent.

Um den Einfluss des Größeneffekts von Partikeln auf die Versuchsergebnisse zu verringern, sollte der maximale Durchmesser der Partikel weniger als 1/5–1/6 von D betragen, dem Innendurchmesser des im Experiment verwendeten Probenladezylinders . Da D = 60 mm ist, muss die maximale Partikelgröße der ausgewählten Sandkörner kleiner als 10 mm sein. In Gl. (1) wurde der Talbol-Leistungsexponent der Testproben mit fünf verschiedenen Partikelgrößenverteilungen auf 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 und 1,5 eingestellt. Tabelle 1 zeigt die Massenanteile von Partikeln verschiedener Größenbereiche.

Das Reagenzglas (Höhe 0,2 m, Durchmesser 0,06 m und Wandstärke 0,007 m) bestand aus organischem Glas, was die Visualisierung des Testvorgangs ermöglichte. Beim Befüllen sollten die Partikel schichtweise eingefüllt und mit einem Hammer gleichmäßig verdichtet werden, um die Gleichmäßigkeit der Probe sicherzustellen. Vor Beginn der Experimente wurde mit der Vakuumpumpe die Luft aus dem Inneren der Probe entfernt, anschließend wurde der Unterdruck im Reagenzglas genutzt, um das Wasser langsam von unten nach oben durch das Röhrchen zu leiten. Mit dieser Methode kann die Probensättigung bis zu 95 % erreicht werden, wodurch der Einfluss von Luft auf die Versuchsergebnisse wirksam vermieden wird.

Vom Boden der Versuchssäule wurde Wasser gepumpt, das durch das Reagenzglas nach oben und dann in das Massenmessgerät floss. Die Qualitätsmethode wurde zur experimentellen Messung der Durchflussrate übernommen. Unter jeder Druckbedingung wurden drei Experimente durchgeführt, und der Durchschnittswert der experimentellen Ergebnisse wurde zur Analyse verwendet. Bei insgesamt 5 Proben müssen etwa 180 Experimente durchgeführt werden. Der Wasserdruck vor und nach der Probe wurde mit einem Drucksammler gemessen. Die experimentellen Echtzeitdaten wurden von einer Datenerfassungssoftware im Computer aufgezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Messungen durchgeführt wurden, nachdem sich der Fluss mindestens 1 Minute lang stabilisiert hatte.

Der entsprechende Zusammenhang zwischen dem Druckgradienten und der Durchflussrate der Proben mit fünf verschiedenen Partikelgrößenverteilungen wurde ermittelt. Anschließend wurde die Datenanpassung unter Verwendung der Forchheimer-Gleichung abgeschlossen, wie in Abb. 2 dargestellt. Das Ergebnis der entsprechenden Beziehungsanpassung war zufriedenstellend und betrug in allen Fällen R2 = 0,99. Bei derselben Probe neigte der Druckgradient dazu, mit zunehmender Durchflussrate nichtlinear zu wachsen, und eine größere Steigung der Kurve deutet darauf hin, dass die Nichtlinearität des Druckgradienten und der Durchflussrate deutlicher zu erkennen ist. Wenn sich der Druckgradient in einem Bereich von 0–1,2 MPa/m änderte und der Talbol-Leistungsexponent zunahm, wurde die obere Fovea der entsprechenden Kurven stärker hervorgehoben. Dies weist darauf hin, dass poröse Medien mit einem relativ hohen Talbol-Leistungsexponenten wahrscheinlich nichtlineare Versickerungen erzeugen, wenn sie dem gleichen Druckgradienten ausgesetzt sind.

Die Beziehung zwischen Druckgradient und Strömungsgeschwindigkeit unter verschiedenen Potenzexponenten von Talbol.

Die Porosität der fünf Proben betrug 0,28. Dieses Phänomen bedeutet einfach, dass die Poren von Proben gleichen Volumens das gleiche Gesamtvolumen haben. Die Poren der Partikel in der Probe hatten aufgrund unterschiedlicher Partikelgrößenverteilungen unterschiedliche Formen, was darüber hinaus zu Unsicherheiten bei den Sickerpfaden und Widerstandsniveaus der Flüssigkeiten in der Probe führte. Wie in den Abb. gezeigt. 3 und 4: Nichtlineare Sickerparameter können sich unter entsprechenden Testbedingungen zusammen mit dem Talbol-Leistungsexponenten ändern. Wie in diesen Abbildungen gezeigt, erhöhte sich die entsprechende Permeabilität um zwei Größenordnungen, von einer Größenordnung von 10−12 auf 10−10, wenn der Talbol-Potenzialexponent von 0,5 auf 1,5 anstieg. Bezogen auf die Nicht-Darcy-Faktoren verringerten sie sich um vier Größenordnungen, von 108 auf 104. Mit steigendem Talbol-Leistungsexponenten nahm die Rate der Permeabilitätszunahme bzw. der Nicht-Darcy-Faktoren ab. Wie in Tabelle 1 gezeigt, nahmen mit zunehmendem Talbol-Leistungsexponenten die Anteile an großen und kleinen Partikeln zu bzw. ab. Wenn die Gesamtporosität der Proben gleich war, hatten poröse Medien, die durch die Ansammlung kleiner Partikel gebildet wurden, eine große Anzahl von Poren und einen niedrigen mittleren Porendurchmesser. Allerdings hatten poröse Medien, die durch die Ansammlung großer Partikel gebildet wurden, wenige Poren und einen großen durchschnittlichen Porendurchmesser. Der Vergleich ergab, dass letztere eine geringe Tortuosität aufwiesen, was den durch seitliche Ablenkungen von Flüssigkeiten erforderlichen Weg verkürzte und den Strömungswiderstand verringerte.

Variationskurve von \(\frac{{k(1 - \varepsilon )^{2} }}{{\varepsilon^{3} d^{2} }}\) mit n.

Variationskurve von \(\frac{{\beta \varepsilon^{3} d}}{1 - \varepsilon }\) mit n.

Wissenschaftler haben die für die Permeabilität k und den Nicht-Darcy-Faktor β ausgewählten Werte eingehend untersucht, wie in Tabelle 2 dargestellt. Sowohl der Nicht-Darcy-Faktor als auch die Permeabilität sind inhärente Attribute eines Mediums. Wenn sich die Partikelgrößenabstufung von Proben ändert, kann die Zusammensetzung der Partikel in der Probe unterschiedlich und unsicher werden. In Tabelle 2 gibt es keine Gleichungen, die die Beziehung zwischen Permeabilität, Nicht-Darcy-Faktor und Partikelgrößenverteilung ausdrücken können. Daher wurde der Talbol-Leistungsexponent eingeführt, um sie leicht zu modifizieren und zu verbessern.

Dabei ist k die Permeabilität (m2), β der Nicht-Darcy-Faktor (m−1), ε die dimensionslose Porosität, \(\overline{d}\) die mittlere Partikelgröße (m) und α1 , α2, α3 und α4 sind die Anpassungskoeffizienten, die durch Anpassen der experimentellen Daten erhalten werden.

Die Gleichungen (2) und (3) wurden verwendet, um mittels Datenanpassung die entsprechende Beziehung zwischen dem nichtlinearen Sickerparameter und dem Talbol-Leistungsexponenten zu ermitteln (siehe Abbildungen 3 und 4). Hier betrug der Korrelationskoeffizient (R2) in allen Fällen 0,99 und die Werte α1, α2, α3 und α4 betrugen 5 × 10−5, 2,8, 206,6 bzw. − 8,3.

Eine Karstkollapssäule besteht aus drei Phasen: einer wässrigen Phase, einer Gesteinsskelettphase und einer beweglichen Feinpartikelphase.

Die Strömungsgeschwindigkeiten der beweglichen Feinpartikel und der Wasserphase sind zu jedem Zeitpunkt identisch und sie bewegen sich gemeinsam, wobei Strömungsgeschwindigkeitsverluste und Energieverluste, die durch Partikelkollisionen bei sandführenden Wasserströmen verursacht werden, vernachlässigt werden.

Die Gesteinsskelettphase in einer Karstkollapssäule ist starr; Das Skelett bleibt während des Verlusts beweglicher Feinpartikel unverändert, und sowohl Wasser als auch die Wasser-Sand-Mischflüssigkeit sind inkompressible einphasige Newtonsche Flüssigkeiten.

Die Porosität des Modells bleibt wirksam; Mit anderen Worten, verbundene Poren in einer Karstkollapssäule sind vollständig mit Wasser und beweglichen Feinpartikelphasen gefüllt, und Poren, die nicht verbunden sind, werden als Skelett dieser Säule betrachtet.

Der Modelllösungsbereich ist vollständig gesättigt.

Die Durchlässigkeit ordovizischer Kalksteingrundwasserleiter ist im Allgemeinen gering, und der Druckgradient steht in einer linearen Beziehung zur Fließgeschwindigkeit, und die Versickerung selbst entspricht dem Darcy-Gesetz, das als folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

Dabei ist kD die Durchlässigkeit des ordovizischen Kalksteingrundwasserleiters (m2), μw der Koeffizient der dynamischen Viskosität von Wasser (Pa·s), vD die Geschwindigkeit (m/s), PD der Druck (Pa), g der Gravitationsbeschleunigung (m/s2) und ρw ist die Wasserdichte (kg/m3), D ist nur der Index, der das Darcy-Feld darstellt.

Die Kontinuitätsgleichung für instationäre Versickerungen lautet wie folgt:

Dabei ist t die Zeit (s) und q die Quellstärke (Senke). Die q-Werte wurden für die Quellen bzw. Senken positiv und negativ eingestellt (s−1). Bei passiven Senkenflüssen gilt q = 0. Außerdem ist ∇ der Divergenzoperator.

Die Kontinuitätsgleichung für gemischte Flüssigkeiten

Die durch den Wassereinbruch in der Karstkollapssäule verursachte Versickerung hat einen sehr komplizierten Mechanismus. Es handelt sich um eine massenvariable, nichtlineare Versickerung22. Vorausgesetzt, dass Wasser-Sand-Mischflüssigkeiten als inkompressible einphasige Newtonsche Flüssigkeiten betrachtet werden, kann die Kontinuitätsgleichung wie folgt geschrieben werden19:

Dabei ist ρm die Dichte einer Mischung aus migrierten Partikeln und Wasser im Kanal zum Zeitpunkt t (kg/m3) und ρs die Dichte fester Partikel (kg/m3). F ist nur der Index, der das Forchheimer-Feld darstellt .

Die Bewegungsgleichung für gemischte Flüssigkeiten

Dabei ist μm die dynamische Viskosität von Wasser-Sand-Mischflüssigkeiten (Pa·s).

Eine Porositätsentwicklungsgleichung

Dabei ist λ der Suffusionskoeffizient (m−1) und seine Dimension ein Kehrwert der Länge, der durch Labortests ermittelt werden kann. Darüber hinaus ist vFc die kritische Strömungsgeschwindigkeit der Partikelinitiierung (m/s) und εmax stellt die maximale Porosität dar.

Die Konzentrationsübertragungsgleichung für migrierte Partikel.

Gehen Sie davon aus, dass die gemischten Flüssigkeiten inkompressibel sind. Darüber hinaus werden die Diffusionseffekte von Partikeln in gemischten Flüssigkeiten ignoriert. Die Konzentrationsübertragungsgleichung für migrierte Partikel wurde unter Verwendung des Massenerhaltungssatzes von Flüssigkeiten und der herkömmlichen Stoffgleichung der Sickersuffusion23,24,25 ermittelt:

Dabei ist cF die Konzentration der migrierten Partikel zum Zeitpunkt t oder der Volumenanteil fester Partikel in gemischten Flüssigkeiten.

Die Gleichung für Änderungen der Dichte gemischter Flüssigkeiten

Die Beziehung zwischen den dynamischen Viskositäten gemischter Flüssigkeiten und Wasser26

Die Gleichungen (2) und (3) wurden verwendet, um die Beziehung zwischen Permeabilität, Nicht-Darcy-Faktor und Partikelgradation der Füllungen der Karstkollapssäulen zu beschreiben. Die Gleichungen (2), (3), (8)–(11) sind allesamt Hilfsgleichungen.

Die Advektions-Dispersions-Gleichung

Die Transporteigenschaften von Partikeln in einer Fahrbahn können mit der folgenden Advektions-Dispersions-Gleichung beschrieben werden27:

wobei Kdep und Kdis die Sedimentations- bzw. Dispersionskoeffizienten (s−1) sind. Da sich gemischte Flüssigkeiten auf einer Fahrbahn schnell bewegen, sind die entsprechenden Diffusionseffekte im Vergleich zu denen der Advektion unbedeutend und Kdis = 0. N ist nur der Index, der das Navier-Stokes-Feld darstellt.

Navier-Stokes-Gleichungen

Die Kontinuitätsgleichung für gemischte Flüssigkeiten

Benachbarte Felder müssen drei Bedingungen erfüllen, um drei Strömungsfelder zu kombinieren: Druckgleichgewicht, Geschwindigkeitskontinuität und Konzentrationskontinuität. Das Modell kann gelöst werden, wenn der Forchheimer-Gleichungssatz geschlossen ist. Es gibt 8 unsichere Modellparameter in den Gleichungen. (2), (3), (6)–(11): PF, vF, cF, ε, k, β, ρF und μm. Das Gleichungssystem reicht aus, um alle Gleichungen zu lösen und die Werte für die 8 unsicheren Modellparameter richtig zu bestimmen. Eine schwache Form der Strömungsmechanikgleichung wurde basierend auf dem Prinzip der virtuellen Verschiebung mithilfe der Software FELAC2.2 (Finite Element Language And it's Compiler) erstellt. Der konvektive Term wurde mithilfe einer Finite-Volumen-Methode verteilt, während die übrigen Terme mithilfe einer Finite-Elemente-Methode verteilt wurden, die zur numerischen Lösung des Modells durchgeführt wurde. Einzelheiten finden Sie in den Literaturen Ref.19 und Ref.28.

Die Fangezhuang-Mine liegt südöstlich des Kaiping-Kohlefelds in der Stadt Tangshan in der Provinz Hebei. Seine Schicht ist nach Nordosten und Südwesten ausgerichtet und neigt sich nach Nordwesten. Darüber hinaus liegt die entsprechende stratigraphische Neigung im Allgemeinen im Bereich von 8°–24°. In diesem Bereich entstehen Falten und Brüche. Entsprechend den strukturellen Merkmalen ist das Minenfeld in drei Strukturbereiche unterteilt, nämlich den Tatuo-Synklinalbereich im Norden, den zentralen monoklinen Strukturbereich und den Bigezhuang-Synklinalbereich im Süden29. Am 2. Juni 1984 ereignete sich an der Arbeitsfläche 2171 der Kailuan Fangezhuang-Mine ein katastrophaler Wassereinbruch aus der Karstkollapssäule des ordovizischen Kalksteins. Das kommt in der Geschichte des Bergbaus selten vor. Nach Berechnungen auf Basis der Überschwemmungsmenge betrug die durchschnittliche Wassereinbruchskapazität in Spitzenzeiten bis zu 2053 m3/min. Bei den Wassereintrittskanälen der Ortsbrust 2171 handelt es sich nachweislich um ordovizische Kalkstein-Karst-Einsturzsäulen, die über eine extrem starke Wasserleitfähigkeit verfügen und aufgrund der Eigenschaften des Wassereintrittsvorgangs und der Kapazität in der Kohlewand verborgen sind Daten, die bei umfangreichen Bohrungen, geophysikalischen Prospektionen und hydrogeologischen Tests usw. während der Wasserkontrolle gesammelt wurden30. Abbildung 5 zeigt die Lage und räumlichen Formen der Karstkollapssäulen. Das Gesamtvolumen der Karstkollapssäulen beträgt 861.000 m3. Es gibt eine große Höhle (Volumen: 39.000 m3), die 8–32 m hoch ist, über einer Stelle, die dem 7er-Kohlenflöz entspricht. Die Karstkollapssäule beschädigt jedoch die Integrität einer 280 m dicken Schicht, die vom ordovizischen Kalkstein bis zur Decke des 5-s-Kohleflözes verläuft und einen wasserführenden Kanalbrunnen bildet. Somit kann unter hohem Druck stehendes Karstwasser des ordovizischen Kalksteins mit der wasserführenden Sandsteinschicht an der 5-sekündigen Kohleflözdecke in Kontakt treten. Die Karst-Einsturzsäule hat eine lange Achse von etwa 67 m und eine kurze Achse von etwa 46 m, mit einer Fläche von etwa 2875 m2. Der Durchmesser seiner Raumform nimmt in einem Segment von 12 bis 14 s Kohleflözen ab. Die meisten weichen Gesteine, die als Füllungen in der Karstkollapssäule verwendet wurden, sind gealtert und erweicht, was durch Ansammlungen, die durch Kernbohrungen entstanden sind, und solche, die in die Fahrbahn gespült wurden, belegt wird. Die spezifischen Porositätswerte für das obere, mittlere und untere Segment wurden mit 0,21, 0,62 bzw. 0,047 berechnet.

Die Lage und räumliche Verteilung der Karst-Einsturzsäule.

Ordovizische Kalksteine ​​sind im östlichen und nördlichen Teil des Feldes flach vergraben, im Westen und Süden jedoch tief. Außerhalb des Feldes handelt es sich um eine Teilkultur, die in direktem Kontakt mit dem quartären, nicht konsolidierten Grundwasserleiter steht. Basierend auf Feldpumptests und langfristigen dynamischen Beobachtungen am ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter wurde festgestellt, dass es sich bei den ordovizischen Kalksteinen um einen miteinander verbundenen wasserführenden Karstkörper handelt. Allerdings weisen die ordovizischen Kalksteine ​​dramatisch ungleichmäßige Wasserausbeuteeigenschaften auf. Konkret weisen einige Bohrlöcher im Norden des Bohrlochfeldes eine Wassereintrittskapazität von 6,59 L/(sm) und eine Durchlässigkeit von bis zu 31,87 m/d auf; Allerdings weisen einige Bohrlöcher im südlichen Teil eine Wassereinbruchskapazität von weniger als 0,01 l/(sm) auf. Im Normalfall besteht kein direkter wasserführender Zusammenhang zwischen Grundwasserleiter und Bergwerk. Aufgrund der Existenz einer Karstkollapssäule wird das Kalksteinwasser des Ordoviziums direkt in die Kohlemassenschichten geleitet, was es zu einer direkten Wasserversorgungsquelle für Bergwerke macht. Darüber hinaus beträgt der hydraulische Druck des ordovizischen Kalksteingrundwasserleiters 9 MPa29.

Ein numerisches Simulationsmodell für den Wassereinbruch in Karstkollapssäulen wurde auf der Grundlage der in relevanten geologischen Daten bereitgestellten Formen von Karstkollapssäulen entwickelt. Das Modell besteht aus drei Teilen. Die Darcy-Gleichung wurde verwendet, um die Versickerung des unteren ordovizischen Kalksteingrundwasserleiters auszudrücken, die Forchheimer-Gleichungen wurden verwendet, um den gemischten Flüssigkeitsfluss der mittleren Karstkollapssäule zu beschreiben, und Navier-Stokes-Gleichungen wurden verwendet, um die oberen freien Flüsse der Straßen zu beschreiben. Die anfänglichen Konzentrationen wandernder Partikel innerhalb der Karstkollapssäule und der Fahrbahn wurden auf 0,01 bzw. 0 festgelegt, um die Sedimentation migrierter Partikel in der Fahrbahn innerhalb der Karstkollapssäule zu berücksichtigen. Auf den unteren Teil des Modells wurde ein hydraulischer Druck von 9 MPa ausgeübt, der dem des ordovizischen Kalksteingrundwasserleiters entspricht. Darüber hinaus kommunizierte der Straßenexport direkt mit der Luft und der relative Druck betrug 0. Die anderen Außengrenzen des Modells waren alle begrenzt. Abbildung 6 zeigt die Geometriegröße und die Randbedingungen des Modells. Der Lösungsbereich wurde mithilfe von Dreieckselementen in 35.000 strukturierte Gitter segmentiert. Tabelle 3 listet die relevanten berechneten Parameter auf.

Numerisches Modell der Karstkollapssäule.

Abbildung 7 zeigt den räumlich-zeitlichen Entwicklungsprozess des hydraulischen Drucks für den Wassereinbruch der Karstkollapssäule in der Fangezhuang-Mine. Die hydraulische Druckverteilung im Grundwasserleiter und in der Karstkollapssäule kann sich in verschiedenen Stadien des Wassereinbruchs merklich ändern. Ein solches Phänomen tritt hauptsächlich im unteren Teil einer Karstkollapssäule und dem angrenzenden Grundwasserleiter auf. Darüber hinaus nimmt der Druck am stärksten an der Karstkollapssäule ab, seine Abnahmerate wird jedoch allmählich geringer und bleibt sogar an Stellen, die weit von der Karstkollapssäule entfernt sind, unverändert. Daher haben wir die im ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter beobachteten hydraulischen Druckschwankungen als Frühwarnung vor Wassereinbrüchen ausgewählt.

Raum-Zeit-Entwicklungsprozess des Drucks (Einheit: MPa).

Die Kurven in Abb. 8 stellen Unterschiede in der Druckverteilung vom ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter bis zur Fahrbahn dar. Wie in dieser Abbildung dargestellt, ändert sich mit fortschreitender Zeit des Wassereinbruchs der Druck an einer Kontaktstelle zwischen dem Grundwasserleiter und der Karstkollapssäule erheblich und verringert sich um 2,19 MPa von 8,31 MPa zu Beginn auf 6,12 MPa. An anderen Standorten ist der Druckschwankungsbereich relativ eng. Die Druckverteilungskurven sind bei t = 1200 s und 1800 s konsistent, was darauf hindeutet, dass die Fluiddruckfeldverteilung in der Karstkollapssäule einen stationären Zustand erreicht hat. Daher ändert sich der hydraulische Druck im gesamten Strömungsbereich während des Wassereinbruchs ständig.

Kurve des Wasserdrucks vom ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter bis zum Tunnel (A1-A2-A4-A5).

Abbildung 9 zeigt die räumlich-zeitliche Entwicklung der Fließgeschwindigkeit, während Abb. 10 die Fließgeschwindigkeitsverteilungskurven vom ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter bis zur Fahrbahn darstellt. Wie zu beobachten ist, kommt es zu einer Änderung der Geschwindigkeit von Flüssigkeiten aufgrund von Wassereinbrüchen vom Grundwasserleiter zur Fahrbahn durch die Karstkollapssäule. Den Ergebnissen der räumlichen Analyse zufolge steigt die Fließgeschwindigkeit in einem Abschnitt von A1 bis A2 des Grundwasserleiters (t = 1800 s) von 4,32 × 10−4 auf 1,99 × 10−3 m/s und wird damit um das 4,6-fache größer. Nachdem die Flüssigkeiten in die Karstkollapssäule geflossen sind, verursacht die Dekompressionswirkung dieser Säule eine hydraulische Störung im Grundwasserleiter. Dadurch wird der Versickerungsgleichgewichtszustand des ursprünglichen Grundwasserleiters zerstört und die Fließgeschwindigkeit steigt an der engsten Stelle des Karstes in kurzer Zeit sprunghaft um eine Größenordnung von 1,99 × 10−3 auf 2,15 × 10−2 m/s an Spalte einklappen (z. B. A3). Dies ist eine Frühwarnung vor einem plötzlichen Anstieg der Fließgeschwindigkeit der Karstkollapssäule während eines vorübergehenden Wassereinbruchs. Beim Eintritt in die Fahrbahn erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit weiter auf 6,25 × 10−2 m/s. Die Fließgeschwindigkeit ist zwei Größenordnungen höher als die bei A1 (4,32 × 10−4 m/s), der Exportgrenze des Grundwasserleiters. Darüber hinaus wird die Strömungsgeschwindigkeit von gleichmäßigen Änderungen in „sprunghafte Änderungen“ umgewandelt. Nach den Ergebnissen der zeitlichen Analyse beträgt die stationäre Strömungsgeschwindigkeit in der Fahrbahn bei t = 1 s 3,90 × 10−3 m/s, steigt jedoch bei t = 1.800 s auf 6,25 × 10−2 m/s an, was a ist 16-fache Steigerung. Daher kann der Wassereinbruch in einer Karstkollapssäule als ein dynamischer Prozess betrachtet werden, bei dem sich die Versickerung zunächst allmählich ändert, bevor sie sich dann abrupt ändert, und „sprunghafte Änderungen“ in der Fließgeschwindigkeit die sichtbarste Widerspiegelung des Auftretens und der Entwicklung von Wassereinbrüchen sind.

Raum-Zeit-Evolutionsprozess der Geschwindigkeit (Einheit: m/s).

Kurve der Fließgeschwindigkeit vom ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter zum Tunnel (A1-A2-A4-A5).

Abbildung 11 zeigt die räumlich-zeitliche Entwicklung der Porosität innerhalb der Karstkollapssäule. Abbildung 12 zeigt, dass sich die Porosität entlang der Vermessungslinie A2A4 mit der Zeit ändert. Die räumliche Analyse ergab, dass sich die Porosität nicht gleichmäßig ändert. Innengefüllte kleine Partikel werden an der engsten Stelle der Karstkollapssäule und deren Austrag aktiviert, was zur Bildung von fluidisierten Partikeln führt. Die Porosität der beiden oben genannten Stellen nimmt stark zu, wenn sandführendes Wasser in die Fahrbahn eindringt. Darüber hinaus führt ihre Verbindung zur Bildung einer bevorzugten Migrationspassage, wodurch der Widerstand gegen sandführende Strömungen verringert wird. Dadurch können Bedingungen geschaffen werden, die eine Strömungsbeschleunigung begünstigen und Hochgeschwindigkeitsströmungen ermöglichen, die die Wanderung großer Partikel erleichtern. Dies ist ein interaktiver Variablenmassenprozess. Die bevorzugte Migrationspassage dehnt sich weiter in Richtung des unteren Teils der Karstkollapssäule aus, bis alle Feinpartikel verloren gegangen sind und die Porosität ihren Höhepunkt erreicht. Die Ergebnisse der zeitlichen Analyse zeigten, dass die Porositätsschwankungen zu einem Anfangszeitpunkt von t = 1 s gering sind. Der bevorzugte Sickerkanal hatte bei t = 180 s eine prototypische Form. Der bevorzugte Sickerkanal bildete sich jedoch merklich bei t = 600 s. Seitdem dehnt sich der Kanal aufgrund der starken Wasserströme in seinem Inneren kontinuierlich in Umfangsrichtung aus, was zur Initiierung von Partikeln führt, die zuvor stationär waren. Bei t = 1800 s erreichen fast alle Porositätswerte in der gesamten Karstkollapssäule ihren Höhepunkt. Dies kann mit dem räumlich-zeitlichen Evolutionsgesetz von Druck, Geschwindigkeit und Konzentration gegenseitig überprüft werden. Wenn die Porosität der Karstkollapssäule von 0,16 auf 0,45 ansteigt, „aktiviert“ sich die Karstkollapssäule und wird allmählich zu einem wasserführenden Kanal, der es dem ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter ermöglicht, hydraulisch mit der Fahrbahn zu kommunizieren. Bei diesem Prozess führt die Migration kleiner Partikel zu einem starken Anstieg der Porosität, was eine direkte Ursache für den Wassereinbruch ist.

Raum-Zeit-Evolutionsprozess der Porosität.

Porositätsverteilung der Messlinie A2A4.

Abbildung 13 veranschaulicht die räumlich-zeitliche Entwicklung der Konzentrationen wandernder Partikel in einer Karstkollapssäule und einer Karststraße, während Abbildung 14 die zeitlich variierenden Konzentrationskurven an typischen Standorten darstellt. Die Konzentration unterliegt einem Variationsgesetz, das vollständig mit dem der Porosität übereinstimmt. Zuerst werden die Partikel an der engsten Stelle (A3) der Karstkollapssäule verflüssigt, gefolgt von denen am Ausgang (A4) und am Boden (A2) der Karstkollapssäule nacheinander. Am Beobachtungspunkt (A2) steigt die Partikelkonzentration zunächst schnell auf ihren Spitzenwert an, fällt dann stark ab und geht schließlich gegen 0. Es verbleiben dort nur noch nicht fluidisierbare Gesteinsskelette. Bei A3 und A4 steigt die Partikelkonzentration auf ihren Höchstwert und beginnt aus folgendem Grund um diesen Höchstwert herum zu schwanken. Statt dass es zu keiner Partikelwanderung kommt, haben die einströmenden Partikel das gleiche Volumen wie die ausströmenden Partikel. Die wandernden Partikel überschwemmen den Fahrbahnraum beim Fließen des Wassers und ihre Konzentration sinkt bei der Sedimentation allmählich auf 0 ab. So finden sich nach Wassereinbruch viele Sedimente und Gesteinsfragmente an der Ortsbrust und im Fahrbahnraum.

Raum-Zeit-Evolutionsprozess der Konzentration.

Konzentrationsverlaufskurven verschiedener typischer Punkte.

Wie in Abb. 15 dargestellt, reagieren sowohl der Einlassdruck einer Karstkollapssäule als auch die Durchflussrate an ihrem Auslass sehr empfindlich auf die Partikelgrößenverteilung. Wenn der hydraulische Druck eines Grundwasserleiters unverändert bleibt, erhöht sich der Talbol-Leistungsexponent von 0,5 auf 1,5. Dabei sinkt der stetige hydraulische Druck am Eintritt der Karstkollapssäule um 2,72 MPa von 6,09 auf 3,37 MPa. Dies weist darauf hin, dass eine Erhöhung des Talbol-Leistungsexponenten den Druckentlastungseffekt verbessern kann, solange die Wasserneubildungsmenge des Grundwasserleiters konstant bleibt. Am Ausgang der Karstkollapssäule steigt die Durchflussrate mit zunehmendem Talbol-Leistungsexponenten und der Abfluss pro Breiteneinheit steigt von 0,14 auf 0,27 m2/s, was einer Steigerung von 93 % entspricht. Wie in Abb. 16 dargestellt, weist ein hoher Talbol-Leistungsexponent darauf hin, dass die Wasserversickerungskapazität der Karstkollapssäule hoch ist. Darüber hinaus können Partikel schneller verloren gehen, was zu einem dramatischen Anstieg der Partikelkonzentration in der gemischten Flüssigkeit führt. Auch die Bildung eines stabilen Sickerkanals mit hoher Porosität dauert relativ kurz und der Wasserzufluss erreicht schnell seinen Spitzenwert. Die Zeit verkürzt sich um 20 % von 720 auf 420 s. In solchen Situationen erhöht sich die Gefahr eines Wassereinbruchs. Es wird daher angenommen, dass Schwankungen in der Partikelgrößenverteilung einen erheblichen Einfluss auf Schwankungen des Wassereintrittsdrucks und der Durchflussraten am Export in Karstkollapssäulen haben, die Übergangsbereiche für das Versickern von Grundwasserleitern und den freien Fluss von Straßenwassereinbrüchen darstellen. In der Praxis wird ein Wassereinbruch durch die „Aktivierung“ der Karstkollapssäule verursacht, die durch Partikelmigration und -verlust unter Einwirkung einer ausreichenden Wasserneubildung im Grundwasserleiter und eines konstant hohen hydraulischen Drucks verursacht wird.

Wasserzufluss und Druck am Eingang der Karstkollapssäule bei unterschiedlichen Werten von n: (a) Druck; (b) Wasserzufluss.

Verlauf der Porosität und Feststoffvolumenkonzentration am Überwachungspunkt A3 bei verschiedenen Werten von n: (a) Porosität; (b) Feststoffvolumenkonzentration.

Ein nichtlinearer Parameter mit der Bezeichnung E wurde eingeführt und wie folgt ausgedrückt, um die nichtlinearen Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten in einer Karstkollapssäule quantitativ zu beschreiben32:

Gleichung (15) drückt das Verhältnis eines durch Trägheitskraft verursachten Druckabfalls zu einem anderen Druckabfall aus, der sowohl durch Trägheitskraft als auch durch Viskosität verursacht wird. Im Allgemeinen wird E = 0,1 als kritischer Punkt gewählt, an dem die Linearität einer Flüssigkeitsströmung zur Nichtlinearität wird33. Shi22 betonte, dass E 0,5 betragen sollte, was der kritische Punkt ist, an dem schwache Trägheitsströmungen in starke übergehen, während E = 0,9 als kritischer Punkt verwendet werden kann, an dem starke Trägheitsströmungen zu turbulenten Strömungen werden. Wie in Abb. 17 dargestellt, kann die Kurve basierend auf den E-Werten grob in drei Segmente unterteilt werden: (1) schwache Trägheitsflüsse, wenn 0,1 ≤ E < 0,5, (2) starke Trägheitsflüsse, wenn 0,5 ≤ E < 0,9 und (3 ) turbulente Strömungen, wenn 0,9 ≤ E < 1,0. Unter der Voraussetzung, dass der hydraulische Druck des Grundwasserleiters konstant bleibt, entwickelt sich eine Karstkollapssäule während der Feinpartikelwanderung allmählich zu einem hochporösen und stark durchlässigen wasserführenden Kanal. Der Strömungszustand der Flüssigkeiten in der Säule bleibt nicht unverändert; Stattdessen wandelt sie sich allmählich von einer schwachen Trägheitsströmung in eine starke Trägheitsströmung um und wird schließlich zu einer turbulenten Strömung. Ein Versickerungsmodell, das auf einem einzelnen Strömungszustand basiert, kann die Art der Zustandsübergänge des Wassereinbruchs nicht widerspiegeln. Die Forchheimer-Gleichungen können effektiv den Zwischenzustand für Wasserströmungen darstellen, die von einer Darcy-Strömung in einem ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter zu einer turbulenten Strömung in der Fahrbahn wechseln. Darüber hinaus haben diese Gleichungen das Potenzial, den Übergangsmechanismus des Strömungszustands, der durch Partikelverlust während des gesamten Wassereinbruchprozesses der Karstkollapssäule verursacht wird, quantitativ aufzudecken. Im Fließbereich der Karstkollapssäule liegt der nichtlineare Parameter (E) über 0,4, was deutlich über dem kritischen Wert linearer Fließströme (also 0,1) liegt. Daher unterstreicht das in dieser Studie erstellte Modell das Konzept nichtlinearer Strömungen.

Verlauf von E am Messpunkt A3 unter verschiedenen Werten von n.

Der Talbol-Potenzexponent n wird eingeführt, um die traditionelle Rechenformel, die \(k = 5 \times 10^{ - 5} \frac{{\varepsilon^{3} }}{{(1 - \ varepsilon )^{2} }}\overline{d}^{2} n^{2.8}\) und \(\beta = 206.6\frac{(1 - \varepsilon )}{{\varepsilon^{3} \ overline{d} }}n^{ - 8.3}\).

Wenn der hydraulische Druck eines Grundwasserleiters unverändert bleibt, erhöht sich der Talbol-Leistungsexponent von 0,5 auf 1,5. Dabei sinkt der konstante hydraulische Druck am Eintritt der Karstkollapssäule um 45 % von 6,09 auf 3,37 MPa. Und der Abfluss pro Breiteneinheit steigt von 0,14 auf 0,27 m2/s, was einer Steigerung von 93 % entspricht. Auch die Bildung eines stabilen Sickerkanals mit hoher Porosität dauert relativ kurz und der Wasserzufluss erreicht schnell seinen Spitzenwert. Die Zeit verkürzt sich um ca. 42 % von 720 auf 420 s.

Während des Wassereinbruchs geht der Strömungszustand der Flüssigkeiten in der Karstkollapssäule allmählich von einer schwachen Trägheitsströmung zu einer starken über und wird schließlich zu einer turbulenten Strömung. Die Forchheimer-Gleichungen können den Zwischenzustand von Wasserströmungen aufzeigen, die von Darcy-Strömungen in einem ordovizischen Kalksteingrundwasserleiter zu turbulenten Strömungen in einer Straße übergehen. Darüber hinaus haben die Gleichungen das Potenzial, den Mechanismus des Übergangs des Fließzustands, der durch Partikelverluste während des gesamten Wassereinbruchprozesses der Karstkollapssäule verursacht wird, quantitativ aufzudecken.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Yin, SX & Wu, Q. Wang Shangxu Studien zu Charakteren und Formungsmechanismen von Karstkollapssäulen in einem Minengebiet im Norden Chinas. Kinn. J. Rock Mech. Ing. 23(1), 120–123 (2004).

Google Scholar

Yang, TH et al. Ein nichtlineares Strömungsmodell basierend auf Strömungstranslation und seine Anwendung bei der Mechanismusanalyse des Wassereinbruchs durch Einsturzpfeiler. J. China Coal Soc. 42(2), 315–321 (2017).

Google Scholar

Wu, CL, Teng, ZJ, Zhang, RT & Mu, HP Behandlung von Wasser, das aus der Einsturzsäule im Kohlebergwerk Xiaoyun in der Provinz Shandong sprudelt. Bohren. Ing. 48(3), 161–169 (2021).

Google Scholar

Wang, JC, Li, JB & Xu, GM Entwicklung und Anwendung eines Simulationstestsystems für den Wassereinbruch aus der wasserführenden Kollapssäule. J. Min. Sicher. Ing. 27(3), 315–321 (2010).

Google Scholar

Zhang, WZ Dreidimensionale Großsimulation zur experimentellen Forschung zum Wassereinbruch von Kollapskolonnen. J. Taiyuan Univ. Technol. 46(6), 685–690 (2015).

Google Scholar

Moutsopoulos, KN, Papaspyros, INE & Tsihrintzis, VA Experimentelle Untersuchung von Trägheitsströmungsprozessen in porösen Medien. J. Hydrol. 374(3–4), 242–254 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Nield, DA & Bejan, A. Konvektion in porösen Medien (Wiley-Blackwell, 2013).

Buchen Sie Google Scholar

Bai, HB Versickerungseigenschaften der obersten Schicht des ordovizischen Systems und ihre Anwendungsstudie als wichtiges Aquifugat. Kinn. J. Rock Mech. Ing. 30(06), 1 (2011).

CAS Google Scholar

Yao, BH Forschung zur dynamischen Flüssigkeits-Feststoff-Kopplungstheorie gebrochener Gesteinsmasse und Anwendung mit variabler Masse. Doktorarbeit (China University of Mining and Technology, 2012).

Chen, ZQ, Wang, LZ, Kong, HL & Yao, BH Studie zum nichtlinearen Versickerungstest von gebrochenem Gestein mit variabler Masse. Sicher. Kohleminen. 45(02), 15–17 (2014).

Google Scholar

Ma, D. et al. Einfluss der Partikelübertragung auf die Fließeigenschaften von zerkleinertem Tonstein. Umgebung. Erdwissenschaft. 75(07), 593–612 (2016).

Artikel Google Scholar

Ma, D., Miao, XX, Jiang, GH, Bai, HB & Chen, ZQ Eine experimentelle Untersuchung der Permeabilitätsmessung des Wasserflusses in zerkleinertem Gestein. Transp. Porous Media 105(03), 571–595 (2014).

Artikel Google Scholar

Huang, Y. & Lin, ZB Numerische Analyse der Wassereinbruchskatastrophe einer verborgenen Einsturzsäule eines Bodens im Bergbau. Sicher. Kohleminen. 52(5), 193–200 (2021).

Google Scholar

Yao, BH, Wang, LC, Wei, JP, Li, ZH & Liu, XJ Ein Verformungs-Sickerungs-Erosions-Kopplungsmodell für den Wasserausbruch einer Karst-Einsturzsäule und seine Anwendung. J. China Coal Soc. 43(7), 2007–2013 (2018).

Google Scholar

Zhao, YL et al. Methode zur Reduzierung der Feststoff-Flüssigkeits-Kopplungsstärke für den Wassereinbruch in Karsthöhlen vor der Fahrbahn basierend auf der Theorie der Strömungszustandsumwandlung. Kinn. J. Rock Mech. Ing. 33(9), 1852–1862 (2014).

Google Scholar

Yang, B. Nicht-Darcy-Strömungsmodell für den Wassereinbruch in einem Bergwerk und seine anfängliche Anwendung. Masterarbeit (Northeastern University, 2015).

Yang, TH, Shi, WH, Li, SC, Yang, X. & Yang, B. Stand der Technik und Trends des Wassereinbruchmechanismus nichtlinearer Strömung in gebrochener Gesteinsmasse. J. China Coal Soc. 41(7), 1598–1609 (2016).

CAS Google Scholar

Shi, WH, Yang, TH, Liu, HL & Yang, B. Numerische Modellierung des nichtdarcy-Strömungsverhaltens von Grundwasserausbrüchen durch Verwerfungen unter Verwendung der Forchheimer-Gleichung. J. Hydrol. Ing. 23(2), 1–9 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, B., Yang, TH & Hu, J. Numerische Simulation von Nicht-Darcy-Strömungen, die durch den Wassereinbruch zwischen Bruchstellen verursacht werden, unter Berücksichtigung des Partikelverlusts. Grubenwasserumgebung. 40(2), 466–478 (2021).

Artikel Google Scholar

Yang, B. et al. Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Strömungseigenschaften einer Füllkörperkolonne. J. Hydrol. Ing. 24(3), 04018070.1-04018070.11 (2019).

Artikel Google Scholar

Talbot, AN & Richart, FE Die Festigkeit von Beton, seine Beziehung zu den Zementzuschlagstoffen und Wasser. Illinois Univ. Ing. Exp. Sta. Stier. 137, 1–118 (1923).

Google Scholar

Shi, WH Ein Nicht-Darcy-Strömungsmodell für den Wassereinbruch durch gebrochene Gesteinsmasse und seine technische Anwendung. Doktorarbeit (Northeastern Univ, 2018).

Cividini, A. & Gioda, G. Finite-Elemente-Ansatz zur Erosion und zum Transport feiner Partikel in körnigen Böden. Int. J. Geomech. 4(3), 191–198 (2004).

Artikel Google Scholar

Papanastasiou, P. & Vardoulakis, I. Sanderosion mit einem Porositätsdiffusionsgesetz. Berechnen. Geotechnik. 32(1), 47–58 (2005).

Artikel Google Scholar

Stavropoulou, M., Papanastasiou, P. & Vardoulakis, I. Gekoppelte Bohrlocherosion und Stabilitätsanalyse. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 22(09), 749–769 (2015).

3.0.CO;2-K" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291096-9853%28199809%2922%3A9%3C749%3A%3AAID-NAG944%3E3.0.CO%3B2-K" aria-label="Article reference 25" data-doi="10.1002/(SICI)1096-9853(199809)22:93.0.CO;2-K">Artikel Google Scholar

Fei, XJ Viskositätskoeffizient (Steifigkeitskoeffizient) von schlammigem Wasser mit hoher Konzentration. Shuili Xuebao. 03, 59–65 (1982).

Google Scholar

Zhang, PY, Bai, B. & Jiang, SC Gekoppelte Effekte hydrodynamischer Kräfte und Porenstruktur auf den Transport und die Ablagerung suspendierter Partikel in einem gesättigten porösen Medium. Fels-Boden-Mech. 37(5), 1307–1316 (2016).

CAS Google Scholar

Shi, WH et al. Nicht-Darcy-Strömungsmodell und numerische Simulation für Wassereinbruch in zerklüftete Gesteinsmasse. Kinn. J. Rock Mech. Ing. 35(3), 446–455 (2016).

Google Scholar

Meng, ZP, Yi, W., Lan, H. & Wang, M. Wassereinbruchseigenschaften des Fangezhuang-Kohlebergwerks in Kailuan und seine geologische Zustandsanalyse des Wassereinbruchs vom Kohleflözboden. Kinn. J. Rock Mech. Ing. 28(2), 228–237 (2009).

Google Scholar

Zhu, WC, Wei, CH, Zhang, FZ & Yang, TH Untersuchung des Wassereinbruchs aus Karstsenkungssäulen mithilfe eines gekoppelten hydromechanischen Modells. Kinn. J. Underground Space Eng. 37(5), 928–933 (2016).

Google Scholar

Yin, SX, Lian, HQ, Liu, DM & Yin, HC 70 Jahre Untersuchung der Karstkollapssäule im nordchinesischen Kohlefeld: Entstehungsursache, Mechanismus und Prävention. Kohlewissenschaft. Technol. 47(11), 1–29 (2019).

Google Scholar

Zimmerman, RW, Al-Yaarubi, A., Pain, CC & Grattoni, CA Nichtlineare Regime des Flüssigkeitsflusses in Gesteinsbrüchen. Int. J. Rock Mech. Mindest. Wissenschaft. 41(supp-S1), 163–169 (2004).

Artikel Google Scholar

Javadi, M., Sharifzadeh, M., Shahriar, K. & Mitani, Y. Kritische Reynolds-Zahl für nichtlineare Strömung durch Brüche mit rauen Wänden: Die Rolle von Scherprozessen. Wasserressource. Res. 50(2), 1789–1804 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

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Die aktuelle Dissertation wurde von der Bildungskommission der chinesischen Provinz Liaoning (LJKZ0322) und der Jugendstiftung der Universität für Wissenschaft und Technologie Liaoning (2020QN10) unterstützt.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität für Wissenschaft und Technologie Liaoning, Anshan, 114051, China

Bin Yang

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität für Wissenschaft und Technologie Suzhou, Suzhou, 215009, China

Wenhao Shi

Fakultät für Bau- und Verkehrsingenieurwesen, Technische Universität Guangdong, Guangzhou, 510006, China

Xin Yang

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BY und XY konzipierten und gestalteten die Experimente; BY und WS erstellten das numerische Modell; BY schrieb den Haupttext des Manuskripts.

Korrespondenz mit Bin Yang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, B., Shi, W. & Yang, X. Nichtlineares Sickererosionsmodell des Wassereinbruchs unter Berücksichtigung der Partikelgrößenverteilung der Karstkollapssäule und ihrer technischen Anwendungen. Sci Rep 12, 17078 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21623-4

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Eingegangen: 12. Juni 2022

Angenommen: 29. September 2022

Veröffentlicht: 12. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21623-4

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