[發(fā)明專利]一種化學(xué)反應(yīng)作用下多孔介質(zhì)的水壓升降判別模型及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010300589.2
• 申請(qǐng)日: 2020-04-16
• 公開（公告）號(hào): CN111458273B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯功達(dá);丁培培;李西龍;張發(fā)源;張露;戚順超;周家文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/08
• 分類號(hào): G01N15/08;G01N25/00;G01N33/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

本發(fā)明公開了一種化學(xué)反應(yīng)作用下多孔介質(zhì)的水壓升降判別模型及方法，該水壓升降判別模型考慮到溫度對(duì)充填體的影響以及水的熱膨脹效應(yīng)，基于充填體無滲流超孔隙水壓控制模型，結(jié)合在多孔介質(zhì)中無熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的情況下的能量守恒模型，并考慮到化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的水體積和能量的變化是同步的，能夠分析在不排水的絕熱環(huán)境中化學(xué)反應(yīng)將造成水壓的上升或下降。本發(fā)明的水壓升降判別模型能夠保證充填體的穩(wěn)定性，優(yōu)化不同開采環(huán)境條件下的尾礦充填，確保充填系統(tǒng)的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多孔介質(zhì)的水壓升降判別模型，具體涉及一種化學(xué)反應(yīng)作用下多孔介質(zhì)的水壓升降判別模型及方法。

背景技術(shù)

地下采礦在為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供必要礦物資源的同時(shí)，也不可避免地產(chǎn)生了大量的尾礦廢棄物和地下采空區(qū)，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)和自然生態(tài)環(huán)境。尾礦的常規(guī)地表處置方法常伴隨著尾礦壩潰決和酸性廢水排放導(dǎo)致的水源污染等風(fēng)險(xiǎn)，而采空區(qū)的存在則可能造成井下巖石冒落以及地表塌陷等一系列的工程和環(huán)境問題。不斷提高的環(huán)保要求和公眾環(huán)保意識(shí)迫使采礦工業(yè)尋求更高效和更具競爭力的尾礦和采空區(qū)綜合治理方法。

尾礦膠結(jié)充填技術(shù)利用尾礦填充礦柱開采后殘留的地下采空區(qū)，不僅能夠避免尾礦等固體廢棄物在地表的大量曝露堆積，還能改善井下采場圍巖穩(wěn)定性。該尾礦-采空區(qū)協(xié)同處置技術(shù)已成為突破現(xiàn)有資源、能源、環(huán)境制約瓶頸，實(shí)現(xiàn)礦山安全清潔高效開采的重要技術(shù)途徑之一。

為滿足運(yùn)輸效率和強(qiáng)度要求，尾礦在回填至采空區(qū)之前需添加足量的水和膠結(jié)劑(如水泥)成為充填體(視為多孔介質(zhì))。在充填體與圍巖的熱量交換、伴隨放熱和耗水的水泥水化反應(yīng)、溫度變化造成的水分蒸發(fā)和熱膨脹變形、通過圍巖裂隙和采場擋墻的充填體排水、滲流場導(dǎo)致的熱對(duì)流、以及充填體自身的固結(jié)沉降等多物理場過程的共同影響下，該多孔介質(zhì)的行為特性將產(chǎn)生復(fù)雜的時(shí)空演化。

作為維持充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，擋墻在充填過程中所受的充填體作用力是已有研究中最為關(guān)注的問題。根據(jù)有效應(yīng)力原理，在給定的總應(yīng)力作用下，充填體骨架的有效應(yīng)力由孔隙水壓力決定，因此前人針對(duì)充填材料的孔隙水壓力演化規(guī)律開展了大量的研究工作。

Cui.和Fall.等人提出了通過考慮充填體中的溫度-滲流-力學(xué)-化學(xué)場耦合作用建立充填體的多場耦合模型(Tunn.Undergr.Sp.Tech.50,396-414,2015)，可用于預(yù)測充填體的溫度、水壓和土壓等的演化規(guī)律，但未考慮水的熱膨脹效應(yīng)，因此無法描述由此造成的水壓異常變化。水泥的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，同時(shí)水泥的水化反應(yīng)將消耗自由水，進(jìn)而降低孔隙水壓力。但由于常溫下水的熱膨脹系數(shù)一般比固體顆粒的大，因此水泥水化放熱導(dǎo)致的充填體溫度升高將造成充填體水壓上升。而且即使充填過程終止，充填體仍可能因水泥水化放熱造成溫度升高而產(chǎn)生異常的水壓上升。此外，該充填體模型是一個(gè)非線性偏微分方程組，只有通過復(fù)雜的數(shù)值求解方法才能實(shí)現(xiàn)計(jì)算，不利于在科學(xué)研究和實(shí)際工程中使用。

Helinski等人提出了通過考慮充填體中的滲流-力學(xué)-化學(xué)場耦合作用建立充填體的多場耦合模型(Can.Geotech.J.44,1148-1156,2007)，可用于預(yù)測充填體水壓和土壓等的演化規(guī)律，但未考慮溫度的影響。除了上述水化放熱導(dǎo)致的充填體水壓上升之外，水泥水化釋放的熱量還將加速水化反應(yīng)以及充填體強(qiáng)度的增長并同時(shí)造成水分蒸發(fā)，又會(huì)降低孔隙水壓力。溫度變化也將造成流體粘滯系數(shù)的改變，進(jìn)而影響滲流場的演化規(guī)律。同時(shí)，隨著采礦活動(dòng)深度不斷增加，地溫梯度將使得采場環(huán)境溫度不斷上升，因此溫度對(duì)充填體行為特性的影響也將更加凸顯。可見，溫度對(duì)充填體的行為特性具有重要影響，而現(xiàn)該模型忽略了溫度對(duì)充填體的作用，進(jìn)而無法準(zhǔn)確描述復(fù)雜賦存環(huán)境中的充填體行為特性。此外，該充填體模型是一個(gè)非線性偏微分方程組，只有通過復(fù)雜的數(shù)值求解方法才能實(shí)現(xiàn)計(jì)算，不利于在科學(xué)研究和實(shí)際工程中使用。

發(fā)明內(nèi)容