基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用

杨天鸿^1,2，师文豪¹，刘洪磊¹，杨斌¹，杨鑫¹，刘再斌³

1. 东北大学资源与土木工程学院岩石破裂与失稳研究所2. 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室3. 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司

摘 要：岩溶陷落柱突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于陷落柱突水过程中流体流态转捩（含水层层流到巷道紊流）的渗流本质,建立了三流场（Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流）耦合非线性渗流模型,并应用于骆驼山煤矿"3·1"底板陷落柱突水数值模拟分析。结果表明:随着突水流体流速不断增大,陷落柱Forchheimer流由黏滞阻力为主,到黏滞阻力和惯性阻力共同作用,最后到惯性阻力为主发生了质的变化,陷落柱突水是流体渗流从渐变到突变的动态过程。进一步表明采用Forchheimer方程描述陷落柱内高速非线性层流,能够较好地反映水流从含水层达西层流到巷道紊流的中间状态,可以定量揭示陷落柱突水三种流态转捩的渗流本质。

关键词：非线性渗流;突水;非达西因子;Forchheimer方程;骆驼山煤矿;