Modello di erosione per infiltrazione non lineare dell'afflusso d'acqua che considera la distribuzione granulometrica della colonna di collasso carsico e le sue applicazioni ingegneristiche

Apr 04, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17078 (2022) Citare questo articolo

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L'afflusso di acqua attraverso la colonna di collasso carsico è uno dei grandi disastri che minacciano la sicurezza della produzione delle miniere di carbone. La distribuzione granulometrica della colonna di collasso carsico è una delle sue proprietà fisiche più basilari, che ha una forte correlazione con la migrazione delle particelle, ed è una base importante per valutare il rischio di influsso di acqua nella colonna di collasso. Le prove di flusso non lineare di roccia frantumata in diverse condizioni di gradazione sono state eseguite da un apparato appositamente costruito e sono state costruite le equazioni di relazione tra i parametri di flusso non lineare (permeabilità e fattore non-Darcy) e l'esponente di potenza di Talbol n. È stato stabilito un modello di flusso non lineare con massa variabile di afflusso di acqua dalla colonna di collasso carsico. Sono state discusse la legge di evoluzione spazio-temporale di pressione, velocità, porosità e concentrazione in caso di perdita di particelle e l'influenza della gradazione delle particelle sul rischio di afflusso di acqua della colonna di collasso carsico nella miniera di Fan gezhuang. Durante l'afflusso d'acqua, lo stato di flusso dei fluidi nella colonna di collasso carsico passa gradualmente da un flusso inerziale debole a uno forte, fino a diventare un flusso turbolento. Il modello di flusso basato sullo stato del flusso singolo non può riflettere l’essenza della transizione del regime di flusso durante l’afflusso di acqua. Maggiore è n, più forte è la permeabilità all'acqua della colonna di collasso carsico, più velocemente le particelle migrano e si perdono, più velocemente si sviluppa il canale di flusso con elevata porosità, più breve è il tempo necessario all'afflusso di acqua per raggiungere il suo valore massimo, e maggiore è il rischio di infiltrazioni d'acqua.

Le colonne di collasso carsico, una struttura verticale nascosta unica che si trova nei bacini carboniferi del sistema boreale permo-carbonifero in Cina, sono ampiamente distribuite in 45 aree di estrazione di carbone di 20 giacimenti carboniferi1. Il fondo delle colonne di crollo carsico è situato in una grotta di rocce solubili. In generale, può fungere da forte canale di conduzione dell'acqua che non solo trasmette le connessioni idrauliche tra una falda acquifera e un fronte di lavoro di un calcare dell'Ordoviciano, ma induce anche l'afflusso di acqua. Ad esempio, il grave incidente “3·1” avvenuto il 1° marzo 2010 nella miniera di Camel Hill nella città di Wuhai, nella Mongolia Interna, ha causato 32 morti, 7 feriti e una perdita economica diretta di 48,53 milioni di RMB2. Il 10 settembre 2018, nella miniera di carbone di Xiaoyun, nella provincia di Shandong, si è verificato un incidente con uno sbalzo d'acqua dal fondo del giacimento del fronte di carbone 1313. Durante questo incidente, la portata massima dell'acqua in entrata ha raggiunto i 3.673 m3/h, con una conseguente perdita economica diretta fino a 25,66 milioni di RMB3.

Studiosi in patria e all'estero hanno studiato approfonditamente l'afflusso d'acqua delle colonne di collasso carsico. Wang4 ha studiato le regole dell'afflusso d'acqua delle colonne di collasso carsico sul pavimento e dello strato di passaggio del carbone sviluppando una tabella di laboratorio per la simulazione dell'afflusso d'acqua delle colonne di collasso carsiche che conducono l'acqua. Zhang5 ha progettato un modello sperimentale di simulazione tridimensionale di grandi dimensioni per riprodurre la situazione di afflusso d'acqua della colonna di collasso carsico nella miniera di carbone di Luotuoshan e acquisire sia la pressione idraulica clinica che i punti di afflusso d'acqua. L'influsso idrico della colonna di collasso carsico è stato raramente studiato utilizzando esperimenti di simulazione di similarità, ma la legge di evoluzione dei parametri di infiltrazione non lineare è stata spesso studiata in relazione agli ammassi rocciosi fratturati. Ad esempio, Moutsopulos6 ha scoperto che i termini di resistenza sia lineare che non lineare nell'equazione di Forchheimer tendono a diminuire all'aumentare del contenuto di particelle di grandi dimensioni nei mezzi porosi utilizzando test di infiltrazione non lineari per mezzi porosi granulari cumulativi. Neild7 ha concluso che i parametri di infiltrazione non lineare sono sensibili ai cambiamenti nelle strutture dei pori sulla base dei risultati della ricerca ottenuti da Dupuit e Forchheimer. Il processo di infiltrazione dell'ammasso roccioso fratturato è solitamente combinato con cambiamenti nella struttura dei pori. Bai8, Yao9, Chen10 e Ma11,12 hanno studiato flussi di massa variabili di ammassi rocciosi fratturati in linea con la legge di Darcy. Raramente sono stati riportati gli impatti dei flussi di massa variabili e della distribuzione granulometrica degli ammassi rocciosi fratturati sui parametri di infiltrazione non lineari in condizioni di flusso non lineare.