To investigate the mechanism of water–sediment inrush during coal mining, the characteristics of water–sediment flow in rock fractures were quantitatively analyzed by computational fluid dynamics (CFD). Based on the two-phase flow theory, a resistance model of water–sediment flow in fractures was established and verified by a laboratory-scale test. The results showed that: (1) With increases sediment particle diameter, volume fraction, and initial water phase velocity, the resistance of sediment particles grows gradually. (2) The drag force of sediment particles is mainly generated from the collision of the water phase and fracture wall. The velocity distribution of sediment particles can be divided into three stages, i.e., continuous increase, rapid decrease, and slow fluctuation. (3) The numerical model was shown to have high predictive accuracy by comparison with the test results. The model’s predictive accuracy decreases with increased water phase velocity and decreases of the sediment particle diameter and volume fraction. (4) The smaller the fracture width, the larger the inclination and bending angles, and the greater the resistance of the two-phase flow in the fracture. Collisions between the particles and fracture wall cause velocity attenuation of the sediment particles. We propose water–sediment inrush prevention and control technology based on the numerical analysis results. 采动覆岩裂隙水-沙两相流灾变机理为研究开采条件下水沙突涌灾变机理,采用计算流体力学方法(CFD)定量分析了裂隙岩体水―沙两相流运移特征。基于液-固两相流理论建立采动裂隙岩体水-沙两相流阻力模型,并得到了室内试验验证。研究表明:(1)沙粒粒径、体积分数和初始流速越大,沙粒的流动阻力越大;(2)沙粒曳力主要来自液相与裂隙壁面碰撞;沙粒速度变化可分为三个阶段,即持续增大、快速减小和缓慢波动;(3)与试验结果对比,数值模型具有较高预测精度;预测精度随液相流速增大、沙粒粒径和体积分数减小而降低;(4)裂隙开度越小、倾角及弯曲程度越大,裂隙内两相流阻力越大。沙粒与裂隙壁面的碰撞是沙粒速度衰减的原因。基于数值分析结果,初步提出了水-沙突涌防治技术。 Zur Erforschung der Vorgänge bei einem Wasser-Sediment-Einbruch in ei-nen Kohlebergbau wurden die Charakteristika der Wasser-Sediment-Strö-mung in Felsklüften quantitativ analysiert. Dazu wurde die numerische Strö¬mungs¬mechanik (CFD) genutzt. Basierend auf der Theorie der Zwei-phasen¬strömung wurde ein Wider¬stands¬modell für die Wasser-Sediment-Strömung in Klüf¬ten auf¬gebaut und verifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass 1. mit steigendem Sedimentpartikeldurchmesser, steigendem Men-gen¬anteil und steigender Anfangsgeschwindigkeit der Wasser-pha¬se der Widerstand der Sedimentpartikel allmählich ansteigt. 2. die Schleppkraft der Sedimentpartikel hauptsächlich bei der Kol-li¬sion der Wasserphase mit den Kluftwänden generiert wird. Der zeit¬liche Ver¬lauf der Ge¬schwindig¬keitsverteilung der Sediment-par¬ti¬kel kann in drei Sta¬dien unterteilt werden: kontinuierlicher An¬stieg, schnel¬les Ab¬sin¬ken und langsame Fluktuation. 3. das numerische Modell eine hohe Vorhersagegenauigkeit hat. Da-bei dienten reale Testergebnisse als Referenz. Die Vor¬her¬sage-genau¬ig¬keit des Modells verringert sich mit steigender Ge¬schwin-digkeit der Wasserphase sowie mit geringer werdendem Sedi-ment¬par¬tikel¬durchmesser und -massenanteil. 4. mit geringerer Breite der Klüfte sowie größerem Neigungs- und Beuge¬winkel der Widerstand der Zweiphasenströmung in der Kluft zu¬nimmt. Kollisionen zwischen den Partikeln und der Kluft-wand füh¬ren zu einer Geschwindigkeitsverringerung der Sedi-ment¬par¬ti¬kel. Zur Prävention von Wasser-Sedi¬ment-Ein¬brüchen werden Maßnahmen sowie Regelungs¬technik auf der Grundlage der Er¬geb¬nisse der nu¬me¬rischen Analyse vorgeschlagen. Para investigar el mecanismo de la irrupción de sedimentos y agua durante la extracción de carbón, las características del flujo de sedimentos de agua en las fracturas de rocas se analizaron cuantitativamente mediante dinámica de fluidos computacional (CFD). Basado en la teoría del flujo de dos fases, se estableció y verificó un modelo de resistencia del flujo de sedimentos y agua en fracturas. Los resultados mostraron que: (1) Con el aumento del diámetro de las partículas de sedimento, la fracción de volumen y la velocidad inicial de la fase de agua, la resistencia de las partículas de sedimento crece gradualmente. (2) La fuerza de arrastre de las partículas de sedimento se genera principalmente a partir de la colisión de la fase acuosa y la pared de fractura. La distribución de velocidad de las partículas de sedimento se puede dividir en tres etapas, es decir, aumento continuo, disminución rápida y fluctuación lenta. (3) Se demostró que el modelo numérico tiene una alta precisión predictiva en comparación con los resultados de la prueba. La precisión predictiva del modelo disminuye al aumentar la velocidad de la fase de agua y las disminuciones del diámetro de las partículas de sedimento y de la fracción de volumen. (4) Cuanto más pequeño es el ancho de la fractura, mayor es la inclinación y los ángulos de flexión y mayor es la resistencia del flujo de dos fases en la fractura. Las colisiones entre las partículas y la pared de fractura causan la atenuación de la velocidad de las partículas de sedimento. Proponemos una tecnología de prevención y control de irrupción de sedimentos de agua basada en los resultados del análisis numérico.

中文翻译：

---

煤矿开采覆盖层岩裂中的水沙两相涌水危害

为研究煤矿开采过程中突水泥沙的机理，利用计算流体动力学（CFD）对岩石裂缝中的水泥沙流动特征进行了定量分析。基于两相流理论，建立了裂缝中水沙流阻力模型，并通过室内试验验证。结果表明：(1)随着沉积物粒径、体积分数和初始水相速度的增加，沉积物颗粒的阻力逐渐增大。(2)泥沙颗粒的拖曳力主要来自水相与裂缝壁的碰撞。沉积物颗粒的速度分布可分为三个阶段，即连续增加、快速减少和缓慢波动。(3)与试验结果相比，该数值模型具有较高的预测精度。该模型的预测精度随着水相速度的增加和沉积物粒径和体积分数的减小而降低。(4) 裂缝宽度越小，倾角和弯曲角度越大，裂缝中两相流的阻力越大。颗粒与裂缝壁之间的碰撞导致沉积物颗粒的速度衰减。我们根据数值分析结果提出了突水突水防治技术。采动覆岩裂隙-沙相流灾变水-沙相流灾变水变为疑心两条件下沙涌变趋势，采用流体计算技术方法（CFD）分析了裂岩岩体水——沙两流运相移特征。 -固两相流理论建立采动裂隙体水-两沙相流阻模型，并进行室内试验试验。 (2)沙粒粒曳力主要来自与裂隙壁面；可速度变化可三个阶段​​，即宏观、快速的动态和动态的脉动；(3)试验与结果对比，许多模型会预测精度；(4) 预测精度随同撞击度下降、沙粒和体积体积倾斜而下降；(4) 裂裂开越小内角及弯曲姿态扑击，弹跳与裂角两相扭扭。壁面的结果是沙粒速度衰减的原因。基于数值分析突显出来的水沙涌防治技术。ur Erforschung der Vorgänge bei einem Wasser-Sediment-Einbruch in ei-nen Kohlebergbau wurden die Charakteristika der Wasser-Sediment - Felsklüften quantitativ analysiert 中的Strö-mung。Dazu wurde die numerische Strö¬mungs¬mechanik (CFD) genutzt。Basierend auf der Theorie der Theorie der Zwei-phasen¬strömung wurde ein Wider¬stands¬modell für die Wasser-Sediment-Strömung in Klüf¬ten auf¬gebaut und verifiziert。Die Ergebnisse zeigten, dass 1. mit steigendem Sedimentpartikeldurchmesser, steigendem Men-genanteil und steigender Anfangsgeschwindigkeit der Wasser-phase der Widerstand der Sedimentpartikel allmählich ansteigt。2. die Schleppkraft der Sedimentpartikel hauptsächlich bei der Kol-li¬sion der Wasserphase mit den Kluftwänden generiert wird。Der zeit¬liche Ver¬lauf der Ge¬schwindig¬keitsverteilung der Sediment-par¬ti¬kel kann in drei Sta¬dien unterteilt werden: kontinuierlicher An¬stieg, schnel¬les Ab¬sin¬ken und langsame Fluktuation。3. das numerische Modell eine hohe Vorhersagegenauigkeit 帽子。Da-bei dienten reale Testergebnisse als Referenz。Die Vor¬her¬her¬sage-genau¬ig¬keit des Modells verringert sich mit steigender Ge¬schwin-digkeit der Wasserphase sowie mit geringer werdendem Sedi-ment¬part¬tikel¬durchmesser und -massenanteil。4. mit geringerer Breite der Klüfte sowie größerem Neigungs- und Beuge¬winkel der Widerstand der Zweiphasenströmung in der Kluft zu¬nimmt。Kollisionen zwischen den Partikeln und der Kluft-wand füh¬ren zu einer Geschwindigkeitsverringerung der Sedi-ment¬partikeln。Zur Prävention von Wasser-Sedi¬ment-Ein¬brüchen werden Maßnahmen sowie Regelungs¬technik auf der Grundlage der Er¬geb¬nisse der nu¬me¬rischen 分析 vorgeschlagen。Parainvestigar el mecanismo de la irrupción de depositos y agua durante la extracción de carbón, las características delflujo de depositos de agua en las fracturas de rocas se analizaron cuantitativamente mediumte dinámica de fluidos computacional (CFD)。Basado en la teoría del flujo de dos fases, se estableció y verificó un modelo de restencia del flujo de depositos y agua en fracturas。Los resultados mostraron que: (1) Con el aumento del diámetro de las partículas de deposito, la fracción de volumen y la velocidad inicial de la fase de agua, la restencia de las partículas de deposito crece gradientmente。(2) La fuerza de arrastre de las partículas de deposito se genera principalmente a partir de la colisión de la fase acuosa y la pared de fractura。La distribución de velocidad de las partículas de deposito se puede dividir en tres etapas, es decir, aumento continuo, disminución rápida y fluctuación lenta。(3) Se demostró que el modelo numérico tiene una alta precisión predictiva en comparación con los resultados de la prueba。La precisión predictiva del modelo disminuye al aumentar la velocidad de la fase de agua y las disminuciones del diámetro de las partículas de deposito y de la fracción de volumen。(4) Cuanto más pequeño es el ancho de la fractura, mayor es la inclinación y los ángulos de flexión y mayor es la restencia delflujo de dos fases en la fractura。Las colisiones entre las partículas y la pared de fractura causan la atenuación de la velocidad de las partículas de deposito。Proponemos una tecnología de prevención y control de irrupción de depositos de agua basada en los resultados del análisis numérico。