Catastrophic Evolution of Water Inrush from A Water-Rich Fault in Front of Roadway Development: A Case Study of The Hongcai Coal Mine

摘要

A fault can be both the inrush channel and the water source. In order to better understand how such a mine disaster develops, a fluid-solid coupling analysis model and a Forchheimer, nonlinear, non-Darcian flow model were used to study an inrush in the Hongcai coal mine. Numerical simulation was used to reconstruct the dynamic process of the inrush. Then the coupled evolution of the stress, displacement, and seepage fields were analyzed and the precursor information characteristics were summarized. The results showed that the inrush was the result of excavation disturbance and hydraulic pressure in the fault fracture zone. Before the inrush occurs, the stress of the surrounding rock drops after continually increasing, the displacement of the surrounding rock increases sharply after a stable build-up, and the gradually increasing pore water pressure of the surrounding rock decreases rapidly just before the inrush. During this process, the multi-field information in the aquiclude continuously changes. During the inrush, groundwater flows into the roadway from top to bottom along the fault fracture zone. The pressure in the runoff path continuously decreases and the flow velocity generally increases. However, when the water initially enters the channel and roadway, the flow velocity first decreases due to the change in flow direction, and then increases again, and the velocity and pressure gradually stabilizes after the water finally enters the roadway. These results help explain how flooding caused by a water-rich fault inrush evolves and provide a scientific basis for determining the characteristics of appropriate inrush precursors. ZusammenfassungEine Verwerfung kann sowohl Wasserquelle als auch Leitungsbahn fur einen Wassereinbruch sein. Um besser zu verstehen, wie sich ein solches Minenungluck entwickelt, wurden ein gekoppeltes Fluid-Feststoff-Analyse modell und ein nicht Darcy-basiertes, nichtlineares Forchheimer Stromungsmodell verwendet, um einen Wassereinbruch in der Kohlenmine von Hongcai zu untersuchen. Numerische Simulation wurde verwendet, um den dynamischen Prozess des Wassereinbruchs zu rekonstruieren. Dann wurde die gekoppelte Entwicklung der Spannungs-, Verschiebungs- und Durchsickerungsfelder analysiert und es wurden die Charakteristika von Vorbotenanzeichen zusammengestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wassereinbruch das Ergebnis von Betriebsstorung bei der Abgrabung und hydraulischem Druck in der Verwerfungszone war. Unmittelbar vor dem Wassereinbruch nimmt die Spannung des umgebenden Gesteins nach fortschreitender Zunahme ab, die Verschiebung des angrenzenden Gesteins vergro ss ert sich nach stabiler Aufbauphase schlagartig und der allmahlich ansteigende Porenwasserdruck des umgebenden Gesteins nimmt kurz vor dem Einbruch rasch ab. Wahrend dieses Vorgangs andert sich die Multi-Feld-Information im Grundwasserstauer standig. Beim Wassereinbruch stromt das Grundwasser entlang der Bruchzone von oben nach unten in die Vortriebsstrecke ein. Der Druck in der Abflussbahn nimmt kontinuierlich ab und ublicherweise erhoht sich die Stromungsgeschwindigkeit. Jedoch zu Beginn, wenn das Wasser in den Kanal und die Vortriebsstrecke eintritt, nimmt die Stromungsgeschwindigkeit wegen Anderung der Stromungsnot signrichtung zuerst ab und steigt dann wieder an. Nachdem das Wasser schlie ss lich in die Vortriebsstrecke gelangt ist, stabilisieren sich die Geschwindigkeit und der Druck allmahlich.Diese Ergebnisse helfen zu erklaren, wie uberschwemmungen durch den Einbruch einer wasser-reichen Verwerfung entstehen und liefern eine wissenschaftliche Grund-lage fur die Bestimmung der Charakteristika geeigneter Vorboten von Wassereinbruchen. ResumenUna falla puede ser tanto el canal de entrada como la fuente de agua. Para comprender mejor como se desarrolla el desastre de una mina, se utilizo un modelo de analisis de acoplamiento fluido-solido y un modelo de flujo Forchheimer, no lineal, no-Darciano para estudiar una irrupcion en la mina de carbon de Hongcai. La simulacion numerica fue utilizada para reconstruir el proceso dinamico de la irrupcion. Luego se analizo la evolucion acoplada de la tension, del desplazamiento y de los campos de infiltracion y se resumieron las caracteristicas de informacion precursora. Los resultados mostraron que la irrupcion fue el resultado de la perturbacion de la excavacion y la presion hidraulica en la zona de fractura de falla. Antes de que ocurra la avalancha, la tension de la roca circundante disminuye despues de aumentar continuamente, el desplazamiento de la roca circundante aumenta bruscamente despues de de cierta estabilidad y la gradualmente creciente presion de agua de poro de la roca circundante disminuye rapidamente justo antes de la irrupcion. Durante este proceso, la informacion multicampo en el acuicludo cambia continuamente. Durante la irrupcion, el agua subterranea fluye en la carretera desde arriba a abajo a lo largo de la zona de la falla. La presion en la trayectoria de la corriente disminuye continuamente y la velocidad del flujo generalmente aumenta. Sin embargo, cuando el agua ingresa inicialmente al canal y a la carretera, la velocidad del flujo primero disminuye debido al cambio en la direccion del flujo y luego aumenta nuevamente, y la velocidad y la presion se estabilizan gradualmente despues de que el agua finalmente ingresa a la carretera. Estos resultados ayudan a explicar como evoluciona la inundacion causada por una avalancha de falla rica en agua y proporcionan una base cientifica para determinar las caracteristicas de los apropiados precursores de irrupcion.