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水—力耦合作用下裂隙岩体渗流规律与突水机理研究

张英  
【摘要】:随着地下工程的不断发展,愈来愈多的地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,水-力耦合问题涉及渗流特性的变化规律,亦包括裂隙岩体微裂隙的起裂、变形扩展、贯通机理。目前,水-力耦合作用下裂隙岩体在渐进破坏过程中的力学和渗流特征及耦合机制仍存在空白区。本文以煤层底板突水灾害为研究背景,采用理论分析、室内试验和数值模拟的方法,研究了单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙试样的非线性渗流规律,利用声发射监测手段研究了裂隙岩体在水-力耦合作用下的渐进破坏演化机理,在此基础上进一步采用有限元方法模拟了煤层采动作用下煤层底板破裂损伤的变化规律,并提出相应的防治措施。取得的主要研究成果如下:(1)开展不同围压、水压和倾角下的单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙砂岩试样的渗流试验,利用福希海默(Forchheimer)方程分析了裂隙砂岩试样在水-力耦合试验过程中压力梯度和流量的非线性特征。发现裂隙影响下,裂隙砂岩试样的非线性曲线凸向压力梯度轴,并且试验加载的围压和试样的裂隙产状对福希海默方程线性项系数a和非线性项系数b产生直接影响。(2)分析惯性阻力系数β和固有渗透率k的关系,提出了裂隙砂岩中流体流动的非线性惯性参数方程,依据归一化导水系数法、压力梯度比法和体积流量比法,确定了线性达西和非线性福希海默的临界压力梯度,得到了不同裂隙产状下压力梯度比等高线以及体积流量比等高线。此外,由围压和渗透率关系确定了裂隙砂岩试样的有效应力系数和耦合系数。(3)基于水-力耦合试验,分析了单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙砂岩试样的强度和变形特征、裂纹起裂规律及破坏模式。同时借助RFPA2D-FLOW软件从细观角度获取了多工况条件下试样水-力耦合破坏过程中的裂纹发展过程。结果显示,完整无水压试样的峰值强度大于完整有水压试样及所有含裂隙试样峰值强度,裂隙比水对试样强度的弱化更为突出。完整试样和单裂隙砂岩试样最终破坏模式均呈现典型的剪切破坏,起裂角度具有很好的方向性。T型和Y型裂隙试样的最终破裂呈现出剪切破坏和张拉-剪切破坏两种模式,且破坏过程产生的次生裂隙较单裂隙试样更多。(4)采用声发射技术监测完整砂岩试样和含不同角度裂隙砂岩(单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙)试样在水-力耦合压缩破坏过程中的AE振铃计数、RA-AF值、b值及峰频等参数变化特征,分析结果显示AE振铃计数的急剧增加、AE信号峰频密度的突增是试件破坏的前兆信息,b值达到峰值时试样完全破坏,RA-AF值显示试件以剪切破坏为主。(5)基于应力-渗透率-时间曲线,分析了完整、单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙试样渗透率在变形破坏过程中的变化规律。裂隙和水流的存在缩短了试样压密到裂纹稳定扩展的过程,试样峰后出现应力突降时渗透率达到极大值,由此确定渗透率突跳系数,为工程尺度的水-力耦合模拟提供关键参数。(6)以羊场湾煤矿为工程背景,运用RFPA2D-FLOW软件建立水-力耦合裂隙模型,引入前文研究获取的有效应力系数、耦合系数和突跳系数,模拟分析了开采扰动与底板含水层水压力联合作用下,底板裂隙岩体从细观损伤演化至宏观“突水通道形成”的破坏过程,揭示了煤层底板破坏突水灾变机制,并提出了相应的控制技术措施,为安全开采提供指导。


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