Modelo de erosão por infiltração não linear de influxo de água considerando a distribuição de tamanho de partícula da coluna de colapso cárstico e suas aplicações de engenharia

Apr 04, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17078 (2022) Citar este artigo

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A irrupção de água através da coluna de colapso cárstico é um dos grandes desastres que ameaçam a produção de segurança em minas de carvão. A distribuição do tamanho de partícula da coluna de colapso cárstico é uma de suas propriedades físicas mais básicas, que tem uma forte correlação com a migração de partículas e é uma base importante para avaliar o risco de entrada de água na coluna de colapso. Os testes de fluxo não linear de rocha quebrada sob diferentes condições de gradação foram realizados por um aparelho construído sob medida, e a equação de relação entre os parâmetros de fluxo não linear (permeabilidade e fator não-Darcy) e o expoente de potência de Talbol n foram construídos. Um modelo de fluxo não linear com massa variável de influxo de água da coluna de colapso cárstico foi estabelecido. A lei de evolução espaço-temporal de pressão, velocidade, porosidade e concentração sob perda de partículas e a influência da gradação de partículas no risco de influxo de água da coluna de colapso cárstico na mina de Fan gezhuang foram discutidas. Durante a irrupção de água, o estado de fluxo dos fluidos na coluna de colapso cárstico passa gradualmente de um fluxo inercial fraco para um forte, eventualmente tornando-se um fluxo turbulento. O modelo de fluxo baseado em um único estado de fluxo não pode refletir a essência da transição do regime de fluxo no influxo de água. Quanto maior for n, mais forte será a permeabilidade à água da coluna de colapso cárstico, mais rapidamente as partículas migrarão e serão perdidas, mais rápido se desenvolverá o canal de fluxo com alta porosidade, menor será o tempo para o fluxo de entrada de água atingir seu valor máximo e maior o risco de infiltração de água.

Colunas de colapso cársico, uma estrutura vertical oculta única encontrada nos campos de carvão do sistema Boreal Permo-Carbonífero na China, são amplamente distribuídas em 45 áreas de mineração de carvão de 20 campos de carvão1. O fundo das colunas de colapso cárstico está situado em uma caverna de rochas solúveis. Geralmente, pode servir como um forte canal de condução de água que não apenas transmite conexões hidráulicas entre um aquífero e uma face de trabalho de um calcário ordoviciano, mas também induz a entrada de água. Por exemplo, o grande acidente de inundação '3·1' ocorrido na Mina Camel Hill na cidade de Wuhai, Mongólia Interior, em 1º de março de 2010, causou 32 mortes, 7 feridos e uma perda econômica direta de RMB 48,53 milhões2. Em 10 de setembro de 2018, ocorreu um acidente de irrupção de água do leito da face de carvão 1313 na mina de carvão Xiaoyun, na província de Shandong. Durante este acidente, o pico de inundação atingiu 3.673 m3/h, resultando em uma perda econômica direta de até RMB 25,66 milhões3.

Estudiosos no país e no exterior investigaram extensivamente a inundação de água da coluna de colapso cárstico. Wang4 investigou as regras de influxo de água de colunas de colapso cárstico no chão e o estrato de passagem de carvão, desenvolvendo uma mesa de laboratório para simulação de influxo de água de coluna de colapso cárstico condutora de água. Zhang5 projetou um modelo experimental de simulação tridimensional de grande porte para reproduzir a situação de irrupção de água da coluna de colapso cárstico na mina de carvão de Luotuoshan e adquirir a pressão hidráulica clínica e os pontos de irrupção de água. A irrupção de água da coluna de colapso cárstico raramente foi estudada usando experimentos de simulação de similaridade, mas a lei de evolução dos parâmetros de infiltração não lineares tem sido frequentemente investigada em relação a maciços rochosos fraturados. Por exemplo, Moutsopulos6 descobriu que os termos de resistência linear e não linear na equação de Forchheimer tendem a diminuir à medida que o conteúdo de partículas grandes em meios porosos aumenta usando testes de infiltração não lineares para meios porosos granulares acumulativos. Neild7 concluiu que os parâmetros de infiltração não lineares são sensíveis a mudanças nas estruturas dos poros com base nos resultados da pesquisa obtidos por Dupuit e Forchheimer. O processo de infiltração do maciço rochoso fraturado é geralmente combinado com mudanças na estrutura dos poros. Bai8, Yao9, Chen10 e Ma11,12 investigaram fluxos de massa variáveis ​​de maciços rochosos fraturados de acordo com a lei de Darcy. Os impactos de fluxos de massa variáveis ​​e distribuição de tamanho de partícula de maciços rochosos fraturados em parâmetros de infiltração não lineares sob condições de fluxo não lineares raramente foram relatados.