李 智 隋旺華 張新佳

LI Zhi①② SUI Wanghua①② ZHANG Xinjia①②

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裂隙內(nèi)部潰砂運(yùn)移特點(diǎn)及應(yīng)力波動(dòng)研究*

李 智①②隋旺華①②張新佳①②

隨著近年來煤炭資源的開采逐漸向西部地區(qū)發(fā)展，潰砂災(zāi)害的防治也越來越受到關(guān)注。本文通過自行設(shè)計(jì)的裂隙潰砂試驗(yàn)裝置用兩種石英砂顆粒以及3種天然砂樣進(jìn)行了潰砂試驗(yàn)，探究了潰砂的影響因素、運(yùn)移特點(diǎn)以及裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律。兩種石英砂顆粒的試驗(yàn)表明，潰砂速度的大小主要取決于潰砂出口的寬度，總潰砂量取決于砂源區(qū)的砂量； 受裂隙傾角的控制，裂隙通道的開啟方式有局部空間擴(kuò)展、局部空間移動(dòng)、直接潰砂3類。3種天然砂樣的試驗(yàn)得出，潰砂后干砂和水砂流對(duì)裂隙壁的作用力自潰砂入口至出口呈減小的趨勢(shì)； 根據(jù)應(yīng)力變化規(guī)律將水砂流中顆粒的運(yùn)移分兩類：碰撞運(yùn)移型，其裂隙內(nèi)部應(yīng)力存在波動(dòng)； 連續(xù)運(yùn)移型，裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化連續(xù)。3種天然干砂潰砂時(shí)對(duì)裂隙壁存在周期性作用力，粒徑大的顆粒對(duì)裂隙壁的作用力、應(yīng)力波動(dòng)幅值及應(yīng)力波動(dòng)周期均較大，運(yùn)用Matlab插值分析得出應(yīng)力波動(dòng)頻率約為3.2～3.6Hz。水砂流潰砂時(shí)僅粒徑最大的砂樣仍存在應(yīng)力波動(dòng)，頻率減小為2.7～3.5Hz，應(yīng)力受粒徑的控制增幅較小。試驗(yàn)獲得了影響潰砂的主要因素以及砂體運(yùn)移規(guī)律和應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象，有助于進(jìn)一步了解潰砂機(jī)理及裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化情況，對(duì)潰砂災(zāi)害的防治起到一定的指導(dǎo)作用。

潰砂 水砂混合流 應(yīng)力波動(dòng)

LI Zhi①②SUI Wanghua①②ZHANG Xinjia①②

0 引 言

潰砂是指近松散層采掘時(shí)含砂量較高的水砂混合流體潰入井下工作面并造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡的一種礦井地質(zhì)災(zāi)害。近年來由于東部煤炭資源的大量消耗，煤炭資源的開采逐漸向西部地區(qū)發(fā)展。西部地區(qū)煤礦具有埋藏淺、頂板基巖薄、上覆松散層厚度大、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層厚度大的特點(diǎn)，在進(jìn)行井下開采時(shí)裂隙帶易貫通上覆松散砂層導(dǎo)致潰砂。

以榆林地區(qū)的哈拉溝、大柳塔、小紀(jì)汗等煤礦為代表的西部礦區(qū)在采煤工作面和巷道掘進(jìn)過程中均不同程度地遇到了突水潰砂的問題。以哈拉溝煤礦為例， 2010年7月該礦某工作面發(fā)生潰砂事故，潰砂發(fā)生后在地表形成直徑47m，深度12m的漏斗狀塌陷。造成潰砂的主要原因就是該工作面布置在哈拉溝水源地附近，含水層較厚； 上覆基巖相對(duì)較薄，最厚處僅約40m； 松散層較厚，約40m左右且均為風(fēng)積沙。上覆砂體遇水后形成流動(dòng)性極強(qiáng)的飽和性水砂，沿頂板垮落后形成的頂板裂隙和基巖凹陷潰入工作面造成潰砂事故。

潰砂事故常具有突發(fā)性、災(zāi)害性以及災(zāi)后重建困難等特點(diǎn)，目前有諸多學(xué)者對(duì)潰砂做了各方面的研究，隋旺華等(2007, 2008a，2008b)研究了近松散層開采孔隙水壓力變化對(duì)水砂突涌的前兆意義，提出上覆巖層的孔隙水壓力可作為近松散層含水層開采潰砂災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測(cè)的重要前兆信息。楊偉峰等(2012)進(jìn)行了薄基巖采動(dòng)裂隙中水砂運(yùn)移過程的模擬試驗(yàn)，獲得了不同類型的運(yùn)移通道中水壓力的變化以及裂隙通道中水砂流速與通道寬度的關(guān)系。梁艷坤模擬了6種不同直徑的疏放水鉆孔揭露4種不同含水砂層時(shí)潰砂量與鉆孔直徑和砂粒粒徑之間的關(guān)系(梁艷坤等， 2011)。楊偉峰(2009)以太平煤礦厚松散含水層薄基巖為地質(zhì)原型揭示了不同巖性組合薄基巖的采動(dòng)破斷機(jī)理，研究了水砂運(yùn)移規(guī)律與通道大小等的關(guān)系。

另外，在采用工程地質(zhì)學(xué)的方法研究潰砂災(zāi)害的同時(shí)也有學(xué)者將潰入井下的砂體作為流動(dòng)顆粒進(jìn)行分析，借助顆粒流的理論研究砂體運(yùn)移。國內(nèi)有學(xué)者等研究了通道開口寬度對(duì)二維顆粒流的影響，分析了在二維顆粒流稀疏流-密集流轉(zhuǎn)變過程中開口角度的作用(胡國琪， 2006； 黃德財(cái)?shù)龋?2010)。有學(xué)者以泥沙啟動(dòng)理論為基礎(chǔ)探討了潰砂發(fā)生時(shí)砂顆粒的受力情況(伍永平等， 2004)。國外學(xué)者(Aronne et al.， 2008)通過無黏性顆粒和水的混合物在傾斜通道中的穩(wěn)定流試驗(yàn)觀察到顆?；旌狭髟谕ǖ乐写嬖谂鲎擦鲃?dòng)區(qū)域和摩擦流動(dòng)區(qū)域，兩者之間存在一個(gè)不穩(wěn)定的過渡層。有學(xué)者對(duì)料斗中顆粒物質(zhì)的速度、平均應(yīng)力的波動(dòng)特征進(jìn)行了研究(Mollon et al.， 2013)。有學(xué)者通過高速攝像頭和數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量不同內(nèi)壁夾角的料斗內(nèi)顆粒的流速在時(shí)間和空間上的分布，其成果表明即使料斗的內(nèi)壁面非常光滑，顆粒物質(zhì)在料斗內(nèi)運(yùn)移過程中仍存在顆粒的停滯區(qū)(Albaraki et al.， 2014)。還有學(xué)者通過示蹤法和光彈法觀察到了料斗中顆粒物質(zhì)間存在應(yīng)力鏈和應(yīng)力拱(Francisco et al.， 2012)。另外， Mellmann et al.(2013)研究了顆粒集合體的抗剪、抗拉強(qiáng)度以及顆粒物質(zhì)的形狀對(duì)顆粒流流速的影響。

以上學(xué)者在研究潰砂時(shí)主要集中在影響潰砂的外部因素的變化，但對(duì)于潰砂后砂體自身的運(yùn)移規(guī)律和砂體性質(zhì)與裂隙壁性質(zhì)間的相互作用研究相對(duì)較少。對(duì)顆粒物質(zhì)的研究應(yīng)用也多集中在制藥、農(nóng)業(yè)和建筑工業(yè)方面。本文在一定程度上借鑒顆粒流的研究方法，研究不同性質(zhì)砂體在裂隙內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律及影響因素，監(jiān)測(cè)潰砂時(shí)砂體對(duì)裂隙壁的作用力及變化趨勢(shì)。希望通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合分析影響潰砂的外部因素和砂體自身運(yùn)移規(guī)律，通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析砂體與裂隙壁的相互作用，為潰砂機(jī)理的認(rèn)識(shí)和潰砂災(zāi)害的防治起到一定指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文主要采用了兩種不同粒徑的人為破碎的石英砂和3種天然砂樣。兩種不同粒徑的人為破碎石英砂用于研究潰砂的運(yùn)移規(guī)律及影響因素(圖1)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)對(duì)碎石土和砂土的分類：一種可定為石英角礫，粒徑范圍為2～5mm； 一種為石英粗砂，粒徑范圍為1～2mm，兩者均分選良好。

圖1 石英砂

為保證砂樣粒徑范圍與實(shí)際工程的相似，在研究裂隙內(nèi)部的應(yīng)力變化時(shí)采用了3種不同粒徑的天然砂樣，試驗(yàn)前所有砂樣經(jīng)過水洗、干燥處理。3種天然砂樣的級(jí)配曲線(圖2)，根據(jù)上述規(guī)范，砂樣1可定名為圓砂，砂樣2與砂樣3可定名為粗砂，但砂樣3粒徑最小。

圖2 天然砂樣的顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

采用正交試驗(yàn)研究潰砂規(guī)律及影響因素，試驗(yàn)裝置(圖3)。

圖3 潰砂規(guī)律及影響因素試驗(yàn)裝置

該裝置主要包含砂箱、裂隙模塊、電子稱以及相機(jī)等。砂箱尺寸大小為長×寬×高=40cm×10cm×30cm，底部有一開口。模擬裂隙由有機(jī)玻璃板及3種不同粗糙度的紙張組合而成。紙張用于模擬不同的裂隙壁，模擬裂隙長×寬=48cm×9.5cm，裂隙出口的大小可調(diào)節(jié)。電子稱靈敏度為0.5g，用于收集并實(shí)時(shí)稱量砂體，相機(jī)用于記錄裂隙間砂體的流動(dòng)形態(tài)和電子秤讀數(shù)。

試驗(yàn)前將潰砂出口堵好并填入試驗(yàn)砂樣，確保每組試驗(yàn)砂樣填入高度相同。將相機(jī)固定調(diào)節(jié)好后打開錄像開始記錄并開啟潰砂出口，待潰砂結(jié)束后將殘留的砂樣清理干凈并準(zhǔn)備下一組試驗(yàn)，該部分試驗(yàn)組別(表1)。試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)為相機(jī)記錄的視頻文件。

表1 試驗(yàn)因素水平表

Table1 Levels of influencing

水平因素裂隙寬度/cm裂隙傾角/(°)裂隙夾角/(°)裂隙壁摩擦角/(°)符號(hào)ABCD10.545042216053531.5901032

在研究裂隙壁內(nèi)部干砂潰砂的運(yùn)移規(guī)律時(shí)，部分裂隙夾角較大的組別砂體運(yùn)移過程中對(duì)裂隙壁產(chǎn)生了一定頻率的沖擊，這種周期性的作用力可能導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步發(fā)育。為放大這類作用力并進(jìn)一步考慮水的影響，采用裂隙夾角為15°的垂直裂隙進(jìn)行干砂和水砂流的潰砂試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置在前述裝置上進(jìn)行了部分改進(jìn)，潰砂出口處寬度為2cm，長度為12cm。其余部分尺寸(圖4)。

圖4 水砂混合流試驗(yàn)裝置示意圖

采集系統(tǒng)包括FSR408型壓力傳感器及采集程序。在裂隙壁一側(cè)等間距布置4個(gè)薄片狀壓力傳感器，自潰砂入口至出口分別編為1～4號(hào)，其中1號(hào)傳感器采集潰砂入口處應(yīng)力變化， 2、3號(hào)采集裂隙內(nèi)部的應(yīng)力變化， 4號(hào)傳感器采集潰砂出口處應(yīng)力變化。傳感器感應(yīng)區(qū)尺寸為4cm×4cm，用塑料薄膜做好防水處理并與模板貼合平整、緊密。傳感器實(shí)測(cè)值為壓力值，精度為0.1N，經(jīng)后期計(jì)算轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，數(shù)據(jù)采集頻率為0.1s。試驗(yàn)時(shí)確保每組試驗(yàn)裝入的砂量相同，潰砂試驗(yàn)前先將采集程序運(yùn)行5s獲得潰砂前通道中的應(yīng)力狀況后再開啟潰砂出口采集潰砂過程中的應(yīng)力變化。用相機(jī)記錄整個(gè)試驗(yàn)過程，試驗(yàn)結(jié)果(表2)。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

Table2 Experimental scheme and results

含水量0%3%6%9%12%18%近似飽和砂樣1YYYYY Y(已飽和)砂樣2YNNNNYY砂樣3YNNNNYY

1.3 試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)研究干砂潰砂的影響因素及運(yùn)移規(guī)律，考慮潰砂出口寬度、裂隙壁摩擦角、裂隙夾角、傾角4個(gè)常見影響因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)不同水平，試驗(yàn)因素水平表(表1)。

本次試驗(yàn)中3種裂隙寬度分別為0.5cm、1.0cm和1.5cm。3種不同粗糙度的裂隙模板與砂樣間的摩擦角分別為42°、35°和32°。將形態(tài)不規(guī)則的裂隙壁剖面簡(jiǎn)化為“V”字形，裂隙壁間夾角采用0°、5°和10°。為保證砂體能夠流動(dòng)，試驗(yàn)采用的裂隙傾角最小值為45°。

如表2所示，在應(yīng)力波動(dòng)規(guī)律的研究中則重點(diǎn)考慮砂樣粒徑、含水量兩個(gè)因素。通過模擬干砂和水砂混合流在裂隙通道中的運(yùn)移，對(duì)比分析水砂混合流和干砂流運(yùn)移時(shí)裂隙內(nèi)部的應(yīng)力變化趨勢(shì)和波動(dòng)規(guī)律。在該部分試驗(yàn)中，為防止?jié)⑸斑^程中粗糙裂隙面造成傳感器感應(yīng)區(qū)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此僅考慮光滑裂隙壁，試驗(yàn)方案及結(jié)果(表2)。每種天然砂樣自干砂逐漸增加含水量到砂樣近飽和的狀態(tài)，表中“Y”代表試驗(yàn)過程中發(fā)生了潰砂，“N”代表該試驗(yàn)組并未產(chǎn)生潰砂。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂隙潰砂的影響因素與運(yùn)移規(guī)律

2.1.1 潰砂影響因素分析

表3 潰砂正交試驗(yàn)表L9(34)

Table3 Quicksand orthogonal

編號(hào)因素寬度/mm傾角/(°)夾角/(°)摩擦角/(°)潰砂指標(biāo)符號(hào)ABCD速度/g·s-1總量/g1A1B1C1D10.5450424237562A1B2C2D20.56053522156593A1B3C3D30.590103224473044A2B1C2D314553249169385A2B2C3D1160104278980196A2B3C1D219003523840527A3B1C3D21.545103553082778A3B2C1D11.56003229647009A3B3C2D31.59054217806094K速1169.0354.3192.0870.3K速單位為g·s-1K速2506.0435.3830.7329.7K總單位為gK速3868.7754.0521.0343.7極差D速699.7399.7638.7540.7K總15573.06323.74269.35956.5K總26336.56126.26230.35996.0K總36357.05816.77866.86314.0極差D總784.0507.03697.5357.5

以兩種石英砂為材料，通過正交試驗(yàn)獲得裂隙的寬度、傾角、夾角和裂隙壁摩擦角對(duì)潰砂速度和總潰砂量的影響程度。以石英粗砂為例，正交試驗(yàn)結(jié)果(表3)。其中K速1、K總1分別表示某因素在因素水平為1的情況下3個(gè)不同潰砂速度、潰砂總量的均值。D速1、D總1分別為某因素3個(gè)水平下潰砂速度、潰砂總量的極差，D值大表明該因素的影響占主導(dǎo)。

通過對(duì)表3的極差分析得出：潰砂速度的大小主要取決于潰砂出口的寬度，其極差最大，為D速=699.7g·s-1。其余影響程度依次為砂體與裂隙壁的摩擦角、裂隙夾角、裂隙傾角?？倽⑸傲康闹饕绊懸蛩貫榱严秺A角，極差為D總=3697.5g，其原因是裂隙夾角越大存儲(chǔ)的砂量越多，總潰砂量也越大。

另外，根據(jù)石英粗砂的正交試驗(yàn)表3和石英角礫的正交試驗(yàn)表(文中未列出)得到如圖5、圖6 所示的平均潰砂速度、總潰砂量隨4個(gè)因素不同水平的變化趨勢(shì)。與正交試驗(yàn)表極差分析相似，分別對(duì)比圖5、圖6 中各影響因素下的平均潰砂速度和總潰砂量，其值變化范圍越大表明該值所屬因素的影響作用越大。

圖5 潰砂速度隨各因素水平的變化

圖6 總潰砂量隨各因素水平的變化

從圖5 可看出， 兩種石英砂樣的平均潰砂速度均主要受裂隙寬度影響，且平均潰砂速度與裂隙寬度呈線性關(guān)系。裂隙傾角對(duì)兩種石英砂的平均潰砂速度的影響最小，但隨著裂隙傾角的增大平均潰砂速度仍近似線性增加。平均潰砂速度在一定范圍內(nèi)隨著裂隙夾角的增加而增大，超過某一范圍則呈減少的趨勢(shì)。造成該現(xiàn)象的原因主要是該模型中裂隙夾角增大到一定程度后砂樣總量增多，但試驗(yàn)中裂隙寬度增加的幅度相對(duì)較小，砂樣在流動(dòng)至裂隙出口處存在一定程度的阻滯，表明裂隙寬度為制約潰砂速度的瓶頸。

圖6顯示試驗(yàn)中兩種石英砂樣的總潰砂量均主要受裂隙夾角的影響，其次為裂隙寬度，但除裂隙夾角外其他3個(gè)因素的影響程度均較小。主要由于該試驗(yàn)中隨著裂隙夾角的增大砂源區(qū)的砂量增加，影響潰砂總量的深層次的原因是砂源區(qū)砂量。該結(jié)論與實(shí)際情況相符，實(shí)際開采條件下，總潰砂量的多少主要受上覆砂源的控制。

對(duì)圖5 和圖6 的分析表明，潰砂的預(yù)防中最基本的一點(diǎn)是防止裂隙通道與富砂層的導(dǎo)通，而在潰砂發(fā)生后需要及時(shí)采取措施對(duì)潰砂通道進(jìn)行封堵，減小通道寬度，降低潰砂速度，削弱并逐步消除與上覆砂層的聯(lián)通，避免更大災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化趨勢(shì)分析

采用3種天然砂樣用于研究裂隙內(nèi)部的應(yīng)力變化規(guī)律。如表2所示， 3種砂樣的干砂以及不同含水量的砂樣1均發(fā)生了潰砂且監(jiān)測(cè)到應(yīng)力波動(dòng)。而水砂情況下，砂樣2、砂樣3在含水量達(dá)到18%時(shí)才開始潰砂，且未監(jiān)測(cè)到應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象。

分析產(chǎn)生了潰砂的干砂試驗(yàn)組和含水量接近飽和的試驗(yàn)組，其中砂樣1在含水量達(dá)到18%時(shí)已飽和，砂樣2、砂樣3接近飽和時(shí)含水量約為24%。取潰砂后應(yīng)力波動(dòng)出現(xiàn)的極大值(無應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象的試驗(yàn)組取采集到的極大值)為縱坐標(biāo)，傳感器的位置(以潰砂入口為起點(diǎn))為橫坐標(biāo)繪制裂隙壁內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢(shì)得到圖7。

圖7 裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化趨勢(shì)

如圖7a、圖7b所示，干砂、水砂在潰砂過程中裂隙內(nèi)部應(yīng)力自潰砂入口至出口均呈減小的趨勢(shì)。砂樣1在兩種情況下應(yīng)力變化趨勢(shì)相似且應(yīng)力大小相近，主要由于砂樣1受水的影響較小，其應(yīng)力變化主要受粒徑的控制，顆粒在兩種情況下的運(yùn)移規(guī)律相同。

而粒徑較小的砂樣2、砂樣3形成的水砂流對(duì)裂隙壁的應(yīng)力受含水量的影響明顯，對(duì)裂隙壁的作用力比干砂流大。在干砂流和水砂流情況下，兩者的應(yīng)力變化趨勢(shì)相似且均較為平緩，表明兩種砂樣潰砂時(shí)在裂隙內(nèi)部運(yùn)移形式相同，通過下文的進(jìn)一步分析得出兩種砂樣顆粒呈連續(xù)運(yùn)移形式。

3 分析與討論

3.1 砂體運(yùn)移規(guī)律分析

通過對(duì)兩種石英砂試驗(yàn)所獲得的視頻文件進(jìn)行圖像分析可得出整個(gè)潰砂過程分為裂隙通道開啟、裂隙間砂體流動(dòng)、潰砂結(jié)束這3個(gè)階段。而裂隙通道的開啟方式可分為以下3種：局部空間擴(kuò)展、局部空間移動(dòng)和直接潰砂。

3.1.1 局部空間擴(kuò)展

以石英粗砂的A1B1C1D1試驗(yàn)組為例(圖8)。圖中紅色虛線內(nèi)為潰砂后裂隙內(nèi)部空間的變化，裂隙下段的砂體先潰出，其他部位的砂體從下到上依次流動(dòng)，裂隙壁與砂體內(nèi)產(chǎn)生空間并從下部到上部區(qū)域逐步擴(kuò)展至砂源區(qū)，最后形成連通的空隙。該類型的潰砂速度均較小，小于300g·s-1。屬于這一類有A1B2C2D2、A2B3C1D2以及石英粗砂的A1B1C1D1共5個(gè)試驗(yàn)組，其裂隙夾角為0°和5°，石英角礫的A1B1C1D1試驗(yàn)組未潰砂。

圖8 局部空間擴(kuò)展

3.1.2 局部空間移動(dòng)

以石英角礫的A2B2C3D1試驗(yàn)組為例(圖9)。裂隙通道開啟機(jī)理與上一種基本一致，但流出砂體產(chǎn)生的空間并未擴(kuò)展而是與空間上方的砂體交換位置，形成局部空間上移的現(xiàn)象，如圖9 中虛線區(qū)內(nèi)所示。裂隙雖被砂體充填但并未被堵塞，砂體仍處于流動(dòng)狀態(tài)且對(duì)裂隙壁有不斷的沖擊，呈現(xiàn)一定頻率的脈沖現(xiàn)象，潰砂速度均大于400g·s-1。屬于這類的有A2B2C3D1、A3B1C3D2、A3B3C2D3以及石英角礫的A2B1C2D3共7個(gè)試驗(yàn)組。其共同特點(diǎn)是裂隙夾角較大，為5°和10°。

圖9 局部空間移動(dòng)

3.1.3 直接潰砂

以石英角礫的A1B3C3D3試驗(yàn)組為例。砂體所受阻力較小，連續(xù)穩(wěn)定且緩慢地直接流出，砂體與裂隙壁之間沒有明顯的空間產(chǎn)生，設(shè)備無振動(dòng)現(xiàn)象。屬于這一類型的有A1B3C3D3、A3B2C1D1、石英粗砂的A2B1C2D3共5個(gè)試驗(yàn)組，均為裂隙壁粗糙度較小的試驗(yàn)組，裂隙壁粗糙度為32°。

3.2 水砂流潰砂形態(tài)分析

結(jié)合2號(hào)傳感器采集到的應(yīng)力，對(duì)近似飽和的砂樣1、砂樣3的潰砂過程進(jìn)行分析，砂樣2與砂樣3運(yùn)移規(guī)律相同而未列出。如圖11 為砂樣1、砂樣3潰砂時(shí)裂隙內(nèi)部砂體形態(tài)示意圖。砂樣1潰砂時(shí)間較短，砂樣2在潰砂進(jìn)行到第22s后仍持續(xù)了較長時(shí)間且裂隙內(nèi)部有殘留砂體。

圖10 直接潰砂

對(duì)于砂樣1，如圖11a從第11s潰砂進(jìn)入尾聲，裂隙內(nèi)部的砂體自由面呈兩邊高中間低的“V”字型凹面，表明砂樣1潰砂時(shí)在裂隙內(nèi)部運(yùn)移速度較快，各顆粒間水的黏聚力以及顆粒與裂隙壁間的摩擦力<自重應(yīng)力。在裂隙出口處顆粒呈獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)但潰砂過程連續(xù)不中斷。砂樣1的顆粒運(yùn)移類屬于碰撞運(yùn)移型，采集到的應(yīng)力如圖11 左圖所示存在周期性波動(dòng)。

圖12 水砂流應(yīng)力變化曲線

對(duì)于砂樣3，如圖11b潰砂試驗(yàn)在第12s時(shí)砂體與砂箱內(nèi)砂源分離，潰砂進(jìn)入尾聲。砂體自由面呈不規(guī)則的形狀，顆粒間連接緊密并隨著下部砂樣的潰出裂隙內(nèi)部砂樣出現(xiàn)了層狀裂隙。砂樣3在裂隙壁出口處時(shí)斷時(shí)續(xù)地潰出，且砂樣中的裂隙隨著潰砂的進(jìn)行交替張開、閉合。表明在砂樣3中各顆粒間水的黏聚力以及顆粒與裂隙壁間的摩擦力≦自重應(yīng)力。

砂樣3潰砂時(shí)采集到的應(yīng)力如圖12b 所示連續(xù)變化。表明砂顆粒集合體近似呈整體地與裂隙壁緊密接觸，運(yùn)動(dòng)過程中顆粒間以及砂樣與裂隙壁間的接觸主要為相互摩擦，無較大碰撞，波動(dòng)現(xiàn)象不明顯。砂樣2、砂樣3情況相同，潰砂時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)為連續(xù)運(yùn)移型。

3.3 應(yīng)力波動(dòng)規(guī)律分析

3種天然砂樣的試驗(yàn)中，布置于裂隙內(nèi)部的2號(hào)傳感器采集到的應(yīng)力波動(dòng)過程受砂量的影響較小、持續(xù)時(shí)間長，應(yīng)力值較大，在此主要分析該傳感器采集到的數(shù)據(jù)，初步探究潰砂時(shí)裂隙壁內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)情況。

圖13 干砂流應(yīng)力變化插值曲線

運(yùn)用Matlab將采集到的應(yīng)力值進(jìn)行插值加密得到光滑曲線用以進(jìn)行應(yīng)力波動(dòng)規(guī)律分析。由于采集到的數(shù)據(jù)較多、應(yīng)力波動(dòng)范圍較大，插值時(shí)采用樣條插值，插值間隔為采集頻率的一半即0.05s。如圖13 所示，圖中x軸最小刻度為0.1s，將插值得到的曲線進(jìn)行處理得到應(yīng)力波動(dòng)振幅、周期的近似值。

據(jù)圖13 所示，砂樣1至砂樣3潰砂后應(yīng)力波動(dòng)曲線的平衡位置值分別約為95Pa、60Pa、45Pa，振幅分別約為75Pa、35Pa、30Pa。表明干砂潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)的幅度和水平受粒徑影響明顯，粒徑相對(duì)較大的砂樣對(duì)裂隙壁的碰撞作用力大，應(yīng)力波動(dòng)幅度也大，對(duì)裂隙的潛在破壞作用更大。

統(tǒng)計(jì)插值曲線中所有應(yīng)力峰值持續(xù)的周期并求其均值，圖中標(biāo)出了5個(gè)具有一定代表性的波動(dòng)周期，由砂樣1至砂樣3潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)的周期分別集中在0.3～0.35s、0.2～0.35s、0.25～0.3s。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，砂樣1潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)平均周期約為0.31s，砂樣2約為0.29s，砂樣3約為0.28s。3種砂樣潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)的頻率約為3.2～3.6Hz。

圖14 砂樣1應(yīng)力變化插值曲線

另外，砂樣1在不同含水量下均產(chǎn)生了潰砂現(xiàn)象且監(jiān)測(cè)到應(yīng)力波動(dòng)，采用同樣的插值方法對(duì)2號(hào)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖14 列出了砂樣1的部分試驗(yàn)組在潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)的插值曲線。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，砂樣1在加水后潰砂過程中應(yīng)力波動(dòng)周期在0.29～0.37s，即頻率為2.7～3.5Hz，頻率相比干砂時(shí)有所減小，表明在水的作用下顆粒對(duì)裂隙壁的碰撞概率變小。如圖14c當(dāng)含水量達(dá)到飽和時(shí)，砂樣1潰砂時(shí)雖出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)但周期變大，砂體顆粒表現(xiàn)出一定程度的連續(xù)運(yùn)移型，采集到的應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象減弱。

根據(jù)圖13a和圖14 中砂樣1不同含水量情況下潰砂的應(yīng)力波動(dòng)曲線，得到波動(dòng)曲線的振幅值、平衡位置近似值隨含水量的變化趨勢(shì)(圖15)。

圖15 振幅、平衡位置值隨含水量的變化

圖15表明砂樣1的應(yīng)力波動(dòng)幅值隨含水量的增加其變化不大，干砂潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)幅值大于水砂。但應(yīng)力波動(dòng)的平衡位置值表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，表明隨著含水量的增加砂樣1潰砂產(chǎn)生的應(yīng)力的平均水平呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。但與砂樣2、砂樣3水砂流潰砂時(shí)相比，砂樣1的應(yīng)力增幅仍較小，表明影響砂樣1對(duì)裂隙壁作用力的根本因素是顆粒粒徑，而對(duì)于粒徑較小的砂樣2、砂樣3對(duì)裂隙壁的應(yīng)力主要受含水量的影響。

4 結(jié) 論

(1)正交試驗(yàn)極差分析得出，裂隙寬度為制約潰砂速度的瓶頸，總潰砂量則主要取決于砂源區(qū)的砂量。故潰砂的預(yù)防中最基本的是防止裂隙通道與富砂層的導(dǎo)通，在潰砂發(fā)生后要及時(shí)采取措施對(duì)潰砂通道進(jìn)行封堵，降低潰砂速度，削弱并逐步消除與上覆砂層的連通，避免更大災(zāi)害的發(fā)生。

(2)受裂隙傾角的控制，裂隙通道開啟方式可分為局部空間擴(kuò)展、局部空間移動(dòng)和直接潰砂3種方式。

(3)裂隙內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)表明，砂樣對(duì)裂隙壁的作用力自潰砂入口至出口呈減小的趨勢(shì)。根據(jù)裂隙內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律將水砂流中顆粒的運(yùn)移分為連續(xù)運(yùn)移型和碰撞運(yùn)移型，本文中砂樣1為碰撞運(yùn)移型，對(duì)裂隙壁存在周期性碰撞，砂樣2、砂樣3為連續(xù)運(yùn)移型，對(duì)裂隙壁的應(yīng)力連續(xù)變化。

(4)干砂潰砂時(shí)對(duì)裂隙壁存在周期性碰撞，應(yīng)力波動(dòng)的幅值和水平主要受粒徑影響。粒徑大的顆粒對(duì)裂隙壁的碰撞作用力、應(yīng)力波動(dòng)幅值以及應(yīng)力波動(dòng)周期均較大。運(yùn)用Matlab插值分析得出3種砂樣干砂潰砂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)頻率在3.2～3.6Hz。

(5)水砂流情況下，砂樣1對(duì)裂隙壁的作用力仍存在波動(dòng)現(xiàn)象，但增幅較小，對(duì)裂隙壁的應(yīng)力仍受粒徑控制。其應(yīng)力波動(dòng)頻率為2.7～3.5Hz，周期變長，當(dāng)含水量近似飽和時(shí)表現(xiàn)出一定程度的連續(xù)運(yùn)移狀態(tài)。砂樣2、砂樣3對(duì)裂隙壁的作用力比干砂流大且主要受含水量的影響，應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象不明顯。

5 不足與展望

本次試驗(yàn)采用多種砂樣為研究對(duì)象，獲得了潰砂時(shí)裂隙內(nèi)部顆粒的運(yùn)移規(guī)律，并監(jiān)測(cè)到了砂體對(duì)裂隙壁作用力的波動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果有助于加深對(duì)潰砂機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為潰砂災(zāi)害的預(yù)防和災(zāi)害破壞程度的預(yù)估起到一定作用。但相比國外顆粒流和國內(nèi)突水潰砂災(zāi)害研究，本次試驗(yàn)仍存在以下不足：

(1)西部礦區(qū)上部砂體主要為第四系風(fēng)積沙，其粒徑約為0.05～2mm，多為級(jí)配不良的勻粒砂，且含有黏粒。本次試驗(yàn)中所用砂樣為人為破碎的石英砂和經(jīng)篩分水洗過的砂樣，所用砂樣的粒徑范圍與實(shí)際場(chǎng)地相似，但微觀成分存在差別，而實(shí)際潰砂運(yùn)移規(guī)律可能還受黏粒的影響。

(2)由于試驗(yàn)條件和設(shè)備的影響，無法全部模擬出真實(shí)際情況下復(fù)雜多樣的裂隙，且裂隙壁粗糙起伏并可能含有充填物，故試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況可能存在一定差異。

(3)不同試驗(yàn)組的應(yīng)力波動(dòng)周期和頻率變化不夠明顯，數(shù)據(jù)采集精度需提高。試驗(yàn)主要模擬潰砂發(fā)生后裂隙內(nèi)部的砂體運(yùn)移規(guī)律和應(yīng)力變化，對(duì)砂源區(qū)以上的地層和含水層的情況考慮較少，砂源區(qū)所處應(yīng)力狀況未予以考慮，造成測(cè)得的應(yīng)力值偏小。

在以后的研究中，需要加強(qiáng)以下兩方面：

(1)采用原地所取砂樣，對(duì)裂隙壁面的模擬需要進(jìn)一步細(xì)化，同時(shí)考慮上覆地層性質(zhì)和砂源區(qū)所處應(yīng)力狀況。

(2)需要改進(jìn)試驗(yàn)裝置，提高監(jiān)測(cè)精度，以便定性且定量地描述砂體運(yùn)移規(guī)律和應(yīng)力波動(dòng)情況。

致 謝 感謝中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院的老師們?cè)谠囼?yàn)過程中提供的幫助和指導(dǎo)，整個(gè)試驗(yàn)過程中梁艷坤博士、袁奇碩士給予了悉心的指導(dǎo)和長期的關(guān)注。非常感謝劉德龍同學(xué)在試驗(yàn)過程中給予的無私幫助。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 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.

高強(qiáng)度開采下重大地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理與預(yù)測(cè)(2013CB227903)資助.

李智(1990-)，男，碩士生，主要從事煤礦工程地質(zhì)及突水潰砂災(zāi)害研究. Email: sclz3721@163.com

簡(jiǎn)介： 隋旺華(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煤礦工程地質(zhì)水文地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作. Email: suiwanghua@cumt.edu.cn

P642.2

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