카르스트 붕괴 기둥의 입자 크기 분포를 고려한 물 유입의 비선형 침투 침식 모델과 그 공학적 응용

Apr 04, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17078(2022) 이 기사 인용

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카르스트 붕괴 기둥을 통한 물 유입은 탄광 안전 생산을 위협하는 큰 재난 중 하나입니다. 카르스트 붕괴 기둥의 입자 크기 분포는 입자 이동과 강한 상관관계가 있는 가장 기본적인 물리적 특성 중 하나이며 붕괴 기둥의 물 유입 위험을 평가하는 중요한 기초입니다. 다양한 그라데이션 조건에서 부서진 암석의 비선형 유동 테스트는 맞춤형 장치로 수행되었으며, 비선형 유동 매개변수(투과율 및 비-Darcy 인자)와 Talbol 전력 지수 n 간의 관계 방정식이 구축되었습니다. 카르스트 붕괴 기둥으로부터 유입되는 물의 양이 가변적인 비선형 흐름 모델이 확립되었습니다. 입자 손실에 따른 압력, 속도, 다공성 및 농도의 시공간 진화 법칙과 판게좡 광산 카르스트 붕괴 기둥의 물 유입 위험에 대한 입자 그라데이션의 영향이 논의되었습니다. 물이 유입되는 동안 카르스트 붕괴 기둥의 유체 흐름 상태는 약한 관성 흐름에서 강한 관성 흐름으로 점차 전환되어 결국 난류가 됩니다. 단일 흐름 상태를 기반으로 한 흐름 모델은 물 유입 시 흐름 체제 전환의 본질을 반영할 수 없습니다. n이 클수록 카르스트 붕괴 기둥의 투수성이 강해지고 입자가 더 빨리 이동하고 소실되며 다공성이 높은 흐름 채널이 더 빨리 발달하고 물 유입이 최고치에 도달하는 시간이 짧아지며, 물이 유입될 위험이 커집니다.

중국 아한대 Permo-Carboniferous 시스템의 탄전에서 발견되는 독특한 숨겨진 수직 구조인 카르스트 붕괴 기둥은 20개 탄전의 45개 탄광 지역에 널리 분포되어 있습니다1. 카르스트 붕괴 기둥의 바닥은 수용성 암석 동굴에 위치해 있습니다. 일반적으로 이는 대수층과 오르도비스기 석회암 작업면 사이의 수력 연결을 전달할 뿐만 아니라 물 유입을 유도하는 강력한 물 전도 채널 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어 2010년 3월 1일 내몽골 우하이시 카멜힐 광산에서 발생한 '3·1' 대형 물 유입 사고는 32명의 사망자와 7명의 부상자를 냈고 4,853만 위안2의 직접적인 경제적 손실을 입혔다. 2018년 9월 10일, 산둥성 샤오윈 탄광에서 1313 석탄층 이층부에서 물 유입 사고가 발생했습니다. 이번 사고 동안 최고 유입수 범위는 3,673m3/h에 달해 최대 2,566만 위안3에 달하는 직접적인 경제적 손실을 입혔습니다.

국내외 학자들은 카르스트 붕괴 기둥의 물 유입을 광범위하게 조사해 왔습니다. Wang4는 물 전도 카르스트 붕괴 기둥 물 유입 시뮬레이션을 위한 실험실 테이블을 개발하여 바닥의 카르스트 붕괴 기둥과 석탄 통과 지층의 물 유입 규칙을 조사했습니다. Zhang5는 Luotuoshan 탄광의 카르스트 붕괴 기둥 물 유입 상황을 재현하고 임상 수압과 물 유입 지점을 모두 획득하기 위해 3차원 대형 시뮬레이션 실험 모델을 설계했습니다. 카르스트 붕괴 기둥의 물 유입은 유사성 시뮬레이션 실험을 통해 거의 연구되지 않았지만, 균열된 암석 덩어리와 관련하여 비선형 침투 매개변수의 진화 법칙이 자주 조사되었습니다. 예를 들어, Moutsopulos6는 누적 입상 다공성 매체에 대한 비선형 누출 테스트를 사용하여 다공성 매체의 큰 입자 함량이 증가함에 따라 Forchheimer 방정식의 선형 및 비선형 저항 항이 모두 감소하는 경향이 있음을 발견했습니다. Neild7은 Dupuit와 Forchheimer가 얻은 연구 결과를 바탕으로 비선형 누출 매개변수가 기공 구조의 변화에 ​​민감하다는 결론을 내렸습니다. 파쇄된 암석 덩어리의 누출 과정은 일반적으로 기공 구조의 변화와 결합됩니다. Bai8, Yao9, Chen10 및 Ma11,12는 Darcy의 법칙에 따라 부서진 암석 덩어리의 가변 질량 흐름을 조사했습니다. 비선형 흐름 조건에서 비선형 침투 매개변수에 대한 파괴된 암반의 가변 질량 흐름 및 입자 크기 분포의 영향은 거의 보고되지 않았습니다.