隔水层系统耗散结构与采动突变机制

发布时间：2020-07-13 15:30

【摘要】：为进一步丰富隔水层渗流稳定性随煤层采动的时空演变机理,从系统论和突变论角度分析了覆岩隔水层系统的耗散机制及其采动失稳的动力响应。综合采用理论分析、数学计算和反演建模等方法,对隔水层系统耗散结构形成机制、裂隙岩体耦合场失稳突变特性、隔水性能采动失稳动力学解析进行了探究。主要研究成果如下:(1)揭示了采动致因的隔水层系统耗散结构形成机制界定了采动覆岩隔水层系统的宏细观范畴,分析了采动影响下系统与外界的物质和能量交换、非平衡有序程度升高、组成要素非线性相关和以涨落脱离临界状态等特征,依此得出了采动隔水层系统具有耗散结构特性的结论。(2)分析了隔水层裂隙应力渗流耦合失稳突变特性建立了基于宏观系统细观体元表征的耦合场平面力学模型,通过计算势能增量函数构建了以水平应力和孔隙压力为特征值的尖角型突变数学模型,得到了三维空间下的模型失稳突变路径和基于孔压相对突跳幅度的临界判据,并通过反演建模和实测对比,论证分析了煤层回采过程中的隔水层稳定性演化特征。(3)明确了隔水层系统采动失稳的动力响应机制及阈值效应将孔隙压力熵引入采动隔水层系统耗散结构中,分析了系统负熵流与正熵产生诱因以及系统失稳演化中的熵减效应,建立了基于超力自变量和超流因变量的自治动力方程,分析了基于超熵产生的隔水层系统失稳的临界开采尺度阈值效应。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD745
【图文】：

地下开采,煤炭,径流,植被

10]。图1-1 煤炭地下开采前后地表植被及径流情况Figure 1-1 Scenario of land vegetation and runoff before and after underground coal mining鉴于地下岩体的天然特性与隔水层结构的赋存环境，隔水层岩体往往承受多相（固、液）和多场（应力场、裂隙场、渗流场）的耦合叠加作用[11,12]，从而涌现出典型复杂巨系统的基本特性[13]，即稳定与失稳、平衡与失衡、线性与非线性、渐变与突变之间的交替更迭。因此，有必要以现有的力学理论体系为基础，充分考虑应力、裂隙及渗流三者耦合叠加作用于隔水层岩体这一实际情况，从兼容岩石力学、渗流力学和非线性动力学的多学科交叉视角出发，一方面，对非线性动力学在采矿工程领域的应用做出有益性尝试，发展一种能够客观描述采矿工程活动中遇到的岩体结构失稳、失衡、非线性和突变现象的新型理论体系；另一方面

煤田,层结构,水层,含水层

渗流进入下位基岩的作用，根据现有的关于含（隔）水层地质情况的勘探结果，煤田地层中隔水层的赋存数目及状态与含水层密切相关，即，无论煤田地层中存在单一或多个含水层，在下部总有相应的隔水地层与其整合接触，如图2-1所示，从而保障自然状态下含水层内水资源的稳定性。（a）单一含（隔）水层（b）多含（隔）水层图2-1 煤田典型地层结构简图Figure 2-1 Schematic diagram for typical strata configuration of coalfield

隔水层,耗散结构

在裂隙、应力和渗流的交互作用下，隔水层原有的保护上位含水层内水资源稳定性的功能逐渐丧失。图2-2 隔水层系统的界定简图Figure 2-2 Sketch map for delimitation of aquifuge system综合上述，本论文所研究的隔水层系统应界定为：上接浅表含水层、由软弱岩石和黏土矿物组成的在自然状态下能够阻隔水体大规模下向流动的一层或多层岩体结构，其与含水层和基岩交界面作为上下边界，并包含岩石及岩石内部一切组成要素（矿物、孔隙、原生节理、次生裂隙、水分、空气等）。2.2 系统耗散结构形成机制（Forming Mechanism of DissipationStructure inAquifuge System）采动影响下的隔水层系统是否存在耗散结构需要结合隔水层系统自身特性、所处环境和耗散结构形成条件进行综合考察。隔水层系统及其所处环境如图 2-3所示，在煤层开采过程中，若隔水层系统由稳定到失稳的演化过程可视为耗散结构，则必须满足热力学定义耗散结构的 4 个基本条件。图2-3 隔水层系统及其环境Figure 2-3 Aquifuge system and its surroundings

【参考文献】