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Influence of Stress and Water Pressure on the Permeability of Fissured Sandstone Under Hydromechanical Coupling

  • Shuai Zhang
  • Dongsheng Zhang
  • Zhen Wang
  • Mingwei Chen
Technical Article

Abstract

We investigated the permeability of fissured sandstone in the Lao Sangou coal mine to understand how to reduce water seepage through the mine roof and to provide a scientific basis for how the permeability changes. First, the physical and mechanical parameters of the sandstone samples were measured in laboratory tests. The discrete element method was used to establish a corresponding model, which was calibrated using uniaxial compression tests. Then, five calculation models were established and used to analyse the permeability of fissured sandstone at varied axial pressures, confining pressures, and water pressures under hydromechanical coupling. A further triaxial seepage experiment was carried out to test the permeability of the fissured sandstone samples. The results indicated that a horizontal hydraulic aperture was more sensitive to axial stress than a vertical hydraulic aperture, and that a vertical hydraulic aperture was more sensitive to confining stress than a horizontal hydraulic aperture, suggesting that confining stress affects permeability more than axial stress. Changes in permeability occur in three stages, i.e. slowly declining, sharply declining, and steady state, reacting to water pressure and stress. There is a cubic polynomial relationship between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R2 ≥ 0.95. After the permeability traverses the slowly declining stage, an exponential relationship exists between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R2 ≥ 0.97. A series of numerical calculation models were used to suggest a partition scheme, in which water pressure plays a leading role in zone I, the stress and water pressure work together in zone II, and stress plays a dominant role in zone III.

Keywords

Coal mining Water seepage Discrete element method Triaxial seepage experiment 

Einfluss von Stress und Wasserdruck auf die Permeabilität geklüfteten Sandsteins bei hydromechanischer Kopplung

Zusammenfassung

Untersucht wurde die Durchlässigkeit geklüfteten Sandsteins in der Kohlenmine von Lao Sangou mit dem Ziel, Ansätze für die Verringerung des Wasserzutritts durch die Dachschichten zu finden sowie entsprechende Durchlässigkeitsänderungen wissenschaftlich zu beschreiben. Zunächst wurden hierzu die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Sandsteinproben unter Laborbedingungen ermittelt. Mittels Diskrete-Elemente-Methode erfolgte die Ableitung eines entsprechenden Modells, das anschließend anhand einaxialer Druckversuche kalibriert wurde. Daraufhin wurden fünf Berechnungsmodelle aufgebaut und zur Durchlässigkeitsanalyse geklüfteten Sandsteins verwendet, und zwar unter Variation von Axialdruck, Grenzdruck sowie Wasserdruck bei hydromechanischer Kopplung. Die Durchlässigkeit der geklüfteten Sandsteinproben wurde mittels Triaxialversuch bestimmt. Die Testergebnisse weisen darauf hin, dass die hydraulisch horizontal wirksame Kluftöffnungsweite stärker von der Axialspannung abhängig ist als die vertikal wirksame Öffnungsweite, während die hydraulisch vertikal wirksame Kluftöffnungsweite sensitiver auf den Grenzdruck reagiert als die hydraulisch horizontal wirksame Öffnungsweite. Daraus ergibt sich, dass die Durchlässigkeit stärker vom Grenzdruck als von der Axialspannung abhängt. Durchlässigkeitsänderungen erfolgen in Reaktion auf Wasserdruck und Spannung in drei Stufen: leicht zurückgehend, abrupt zurückgehend, stationärer Zustand. Sowohl zwischen durchschnittlicher Fließrate als auch mittlerer hydraulisch wirksamer Öffnungsweite auf der einen Seite und der Spannung auf der anderen Seite besteht eine Beziehung in Form eines kubischen Polynoms mit R2 ≥ 0.95. Nachdem die Durchlässigkeit die Stufe des leichten Rückgangs durchlaufen hat, besteht sowohl zwischen mittlerer Fließrate als auch mittlerer hydraulischer Öffnungsweite und der Spannung ein exponentieller Zusammenhang mit R2 ≥ 0.97. Auf Basis einer Anzahl numerischer Modellierungen wird ein Partitionierungsschema vorgeschlagen, dem gemäß der Wasserdruck der wesentliche Einflussfaktor in Zone I ist, in Zone II Spannung und Wasserdruck gemeinsam wirken und in Zone III die Spannung dominiert.

Influencia del estrés y la presión del agua sobre la permeabilidad de arenisca fisurada bajo acoplamiento hidromecánico

Resumen

Investigamos la permeabilidad de la piedra arenisca fisurada en la mina de carbón de Lao Sangou para comprender cómo reducir la filtración de agua a través del techo de la mina y proporcionar una base científica sobre cómo cambia la permeabilidad. Primero, los parámetros físicos y mecánicos de las muestras de arenisca se midieron en pruebas de laboratorio. El método del elemento discreto se utilizó para establecer un modelo que se calibró utilizando pruebas de compresión uniaxial. Luego, se establecieron cinco modelos de cálculo y se usaron para analizar la permeabilidad de la arenisca fisurada a presiones axiales variadas, presiones de confinamiento y presiones de agua bajo acoplamiento hidromecánico. Se llevó a cabo otro experimento de filtración triaxial para probar la permeabilidad de las muestras de arenisca fisurada. Los resultados indicaron que una abertura hidráulica horizontal era más sensible a la tensión axial que una apertura hidráulica vertical, y que una abertura hidráulica vertical era más sensible al estrés de confinamiento que una abertura hidráulica horizontal, lo que sugiere que el estrés confinamiento afecta la permeabilidad más que el esfuerzo axial. Los cambios en la permeabilidad ocurren en tres etapas: declive lento, declive brusco y estado estable, que reaccionan a la presión del agua y al estrés. Existe una relación polinómica cúbica entre la tasa de flujo promedio y la abertura hidráulica promedio y el estrés, con R2 ≥ 0,95. Después de que la permeabilidad atraviesa la etapa de disminución lenta, existe una relación exponencial entre la tasa de flujo promedio y la abertura hidráulica promedio y el estrés, con R2 ≥ 0,97. Se utilizó una serie de modelos numéricos para sugerir un esquema de partición, en el que la presión del agua desempeña un papel principal en la zona I, el estrés y la presión del agua trabajan juntos en la zona II y el estrés desempeña un papel dominante en la zona III.

水力耦合作用下应力和水压对裂缝性砂岩渗透性的影响

抽象

摘要:为提高顶板阻隔含水层水渗流的能力,对指导砂岩的阻水抗渗特性提供科学的依据,我们研究老三沟煤矿裂隙砂岩的渗透特性。首先,通过对老三沟煤矿砂岩样进行现场采取和室内试验分析获取岩样的物理力学参数,应用离散元数值模拟软件建立对应模型与室内单轴压缩试验数据进行拟合;然后5个数值计算模型被建立去分析在水力耦合作用下不同轴压、不同围压和不同水压作用下的裂隙砂岩渗透特性,进一步的三轴渗流实验被执行去测试裂隙砂岩的渗透特性,研究结果表明:水平水力开度对轴向应力有较高的敏感性,竖直方向的水力开度对轴向应力的敏感性较差;竖直水力开度对围压有较高的敏感性,水平方向的水力开度对围压的敏感性较差.想比较轴压而言,围压对渗透率有更显著的影响. 渗透率的变化分三个阶段,即缓慢下降、急剧下降和稳定状态,对水压和应力作出反应,平均流量和水力开度与应力之间存在三次多项式的关系,相关性均在95%以上,经历缓慢下降阶段之后,平均流量和水力开度与应力的关系可用幂指数函数来描述,相关性均在97%以上。一系列的数值计算模型被建立建议一个分区,在I区域中水压起主导作用,在II区中应力和水压共同作用,在III区中应力起主导作用。关键词:煤矿开采;水渗流;离散元方法;三轴渗流实验

Notes

Acknowledgements

The research was financially supported by the National Basic Research Program of China (2015CB251600), the Qing Lan Project (Grant Sujiaoshi (2016)15), the Jiangsu basic research program (Natural Science Foundation, BK20150051). We also thank the Lao Sangou Coal Mine for their support.

Supplementary material

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  • Shuai Zhang
    • 1
  • Dongsheng Zhang
    • 1
  • Zhen Wang
    • 1
  • Mingwei Chen
    • 1
  1. 1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, School of MinesChina University of Mining and TechnologyXuzhouChina

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