[发明专利]一种化学反应作用下多孔介质的水压升降判别模型及方法

说明书

本发明公开了一种化学反应作用下多孔介质的水压升降判别模型及方法，该水压升降判别模型考虑到温度对充填体的影响以及水的热膨胀效应，基于充填体无渗流超孔隙水压控制模型，结合在多孔介质中无热传导和热对流的情况下的能量守恒模型，并考虑到化学反应导致的水体积和能量的变化是同步的，能够分析在不排水的绝热环境中化学反应将造成水压的上升或下降。本发明的水压升降判别模型能够保证充填体的稳定性，优化不同开采环境条件下的尾矿充填，确保充填系统的安全性。

技术领域

本发明涉及一种多孔介质的水压升降判别模型，具体涉及一种化学反应作用下多孔介质的水压升降判别模型及方法。

背景技术

地下采矿在为社会经济发展提供必要矿物资源的同时，也不可避免地产生了大量的尾矿废弃物和地下采空区，严重威胁着矿井安全生产和自然生态环境。尾矿的常规地表处置方法常伴随着尾矿坝溃决和酸性废水排放导致的水源污染等风险，而采空区的存在则可能造成井下岩石冒落以及地表塌陷等一系列的工程和环境问题。不断提高的环保要求和公众环保意识迫使采矿工业寻求更高效和更具竞争力的尾矿和采空区综合治理方法。

尾矿胶结充填技术利用尾矿填充矿柱开采后残留的地下采空区，不仅能够避免尾矿等固体废弃物在地表的大量曝露堆积，还能改善井下采场围岩稳定性。该尾矿-采空区协同处置技术已成为突破现有资源、能源、环境制约瓶颈，实现矿山安全清洁高效开采的重要技术途径之一。

为满足运输效率和强度要求，尾矿在回填至采空区之前需添加足量的水和胶结剂(如水泥)成为充填体(视为多孔介质)。在充填体与围岩的热量交换、伴随放热和耗水的水泥水化反应、温度变化造成的水分蒸发和热膨胀变形、通过围岩裂隙和采场挡墙的充填体排水、渗流场导致的热对流、以及充填体自身的固结沉降等多物理场过程的共同影响下，该多孔介质的行为特性将产生复杂的时空演化。

作为维持充填体稳定性的关键结构，挡墙在充填过程中所受的充填体作用力是已有研究中最为关注的问题。根据有效应力原理，在给定的总应力作用下，充填体骨架的有效应力由孔隙水压力决定，因此前人针对充填材料的孔隙水压力演化规律开展了大量的研究工作。

Cui.和Fall.等人提出了通过考虑充填体中的温度-渗流-力学-化学场耦合作用建立充填体的多场耦合模型(Tunn.Undergr.Sp.Tech.50,396-414,2015)，可用于预测充填体的温度、水压和土压等的演化规律，但未考虑水的热膨胀效应，因此无法描述由此造成的水压异常变化。水泥的水化反应是放热反应，同时水泥的水化反应将消耗自由水，进而降低孔隙水压力。但由于常温下水的热膨胀系数一般比固体颗粒的大，因此水泥水化放热导致的充填体温度升高将造成充填体水压上升。而且即使充填过程终止，充填体仍可能因水泥水化放热造成温度升高而产生异常的水压上升。此外，该充填体模型是一个非线性偏微分方程组，只有通过复杂的数值求解方法才能实现计算，不利于在科学研究和实际工程中使用。

Helinski等人提出了通过考虑充填体中的渗流-力学-化学场耦合作用建立充填体的多场耦合模型(Can.Geotech.J.44,1148-1156,2007)，可用于预测充填体水压和土压等的演化规律，但未考虑温度的影响。除了上述水化放热导致的充填体水压上升之外，水泥水化释放的热量还将加速水化反应以及充填体强度的增长并同时造成水分蒸发，又会降低孔隙水压力。温度变化也将造成流体粘滞系数的改变，进而影响渗流场的演化规律。同时，随着采矿活动深度不断增加，地温梯度将使得采场环境温度不断上升，因此温度对充填体行为特性的影响也将更加凸显。可见，温度对充填体的行为特性具有重要影响，而现该模型忽略了温度对充填体的作用，进而无法准确描述复杂赋存环境中的充填体行为特性。此外，该充填体模型是一个非线性偏微分方程组，只有通过复杂的数值求解方法才能实现计算，不利于在科学研究和实际工程中使用。

发明内容