带压开采时底板渗流与应力耦合破坏突水机理研究

发布时间：2017-04-02 08:14

  本文关键词：带压开采时底板渗流与应力耦合破坏突水机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层底板突水事故一直是矿井水害中最为突出的问题,是影响煤矿生产安全亟待解决的问题。特别在我国华北地区,随着采深持续增加,高承压水对煤矿威胁愈加明显。底板突水问题可归结为应力场与渗流场相互作用引发的流固耦合力学问题。在煤层采掘过程中,打破了围岩应力原有的平衡状态,矿山压力和水压力共同作用下,伴随着岩层裂纹萌生、扩展、贯通,最后断裂导致失稳破坏,承压水涌入工作面造成巨大损失。本文通过对华北地区多个矿区的调查,对以往突水资料了解和整理,针对“华北型煤田”水文地质特征运用理论知识、数值模拟手段以及物理相似模拟试验方法对底板变形特点、应力分布规律以及两者对应关系进行研究。主要研究结果如下:(1)对底板突水形成机理研究,阐述引起突水主要影响因素以及各因素所起的作用。建立数学模型,直观表达了不同底板条件下突水模式,底板裂纹的受力状态和不同裂纹破坏形式;(2)结合华北地质资料和岩体力学性质,选用适合材料按照不同配比制作试件,并在试验机SAS-2000监测其力学性质,为物理相似模拟试验选择合理的配比号材料。根据单轴压缩试验所得应力-位移曲线以及试件表现的破坏形式,分析了匀速荷载加载过程中试件各阶段特点;(3)基于渗流与应力耦合理论,使用RFPA2D-Flow软件对不同底板条件、不同水压环境进行正交试验数值模拟。通过试验对比,引出“破裂致突”和“渗流致突”理论,判断出水压环境发挥了主导作用,根据相对隔水层理论,分析了“天然通道”作用;(4)按照几何参数相似比设计了物理模拟试验,对试验过程中底板变形破坏现象记录、整理和分析,试验证明距离开切眼60m~120m采空区处,底板裂隙产生最多,底鼓量最大。
【关键词】：承压水 底板隔水层 数值模拟 相似模拟 耦合机理
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 选题背景和意义11-12
• 1.1.1 选题背景11-12
• 1.1.2 课题研究意义12
• 1.2 底板突水机理理论研究现状12-16
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-16
• 1.3 存在不足点16
• 1.4 研究内容和技术路线16-18
• 1.4.1 主要研究内容16
• 1.4.2 研究方法与技术路线16-18
• 第2章 煤层底板突水影响因素18-26
• 2.1 突水的缘由18
• 2.2 突水通道形成分析18-21
• 2.2.1 结构完整底板突水通道形成分析18-19
• 2.2.2 结构不完整底板突水通道形成分析19-21
• 2.3 下伏含水层的影响21-22
• 2.3.1 水对底板岩层的作用21-22
• 2.3.2 底板含水层的富水性22
• 2.4 底板隔水层及其阻隔水能力22-24
• 2.4.1 隔水层的厚度和稳定性22-23
• 2.4.2 隔水层的岩性以及各岩层组合关系23
• 2.4.3 典型底板隔水层的结构23-24
• 2.5 底板突水的影响因素24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第3章 带压开采时底板采动应力耦合分析26-35
• 3.1 煤体受载变形分析26-28
• 3.2 承压水上开采煤层底板裂纹破坏类型分析28-32
• 3.2.1 一般的岩石应力-应变曲线分析28-29
• 3.2.2 单一裂隙扩展力学模型29-30
• 3.2.3 承压水上开采煤层底板破坏的裂纹类型:30-31
• 3.2.4 底板破坏的力学分析和裂纹形式31-32
• 3.3 底板采动应力耦合作用机制研究32-34
• 3.3.1 煤层底板支承压力分布32-33
• 3.3.2 建立底板岩体采动应力耦合作用模型33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第4章 相似模拟试验力学性质研究35-56
• 4.1 相似模拟试验概述35-36
• 4.2 试件的制作和加载过程36-39
• 4.2.1 试件的制作36-37
• 4.2.2 试件加载过程37-38
• 4.2.3 试验可能性误差38-39
• 4.3 岩石强度测试结果分析39-45
• 4.3.1 试件应力-位移全过程曲线分析39-43
• 4.3.2 岩石单轴压缩的破坏形式43-45
• 4.4 声发射技术试验研究45-48
• 4.4.1 声发射信号的产生机理45
• 4.4.2 声发射操作步骤45-46
• 4.4.3 试验结果分析46-48
• 4.5 CM250/18试验台设计与装载过程48-54
• 4.5.1 相似原理分析48-49
• 4.5.2 CM250/18试验台模型设计49-51
• 4.5.3 CM250/18平面应力试验台装载流程51-54
• 4.6 本章小结54-56
• 第5章 采动底板破坏特征试验结果分析56-66
• 5.1 开采过程试验设计56-57
• 5.2 底板裂隙演化特征分析57-61
• 5.2.1 裂隙产生和延伸过程57-60
• 5.2.2 裂隙角度分布规律60-61
• 5.3 底板应力分布规律分析61-62
• 5.4 底板变形特征研究62-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第6章 底板损伤破裂和渗流演化数值模拟研究66-84
• 6.1 数值模拟方法简介66-69
• 6.1.1 基本思路66
• 6.1.2 岩石的非均匀性对应力-应变关系的影响66-68
• 6.1.3 RFPA软件介绍68-69
• 6.2 RFPA模型建立和参数选取69-70
• 6.2.1 参数选取69
• 6.2.2 模型建立69-70
• 6.3 数值模拟过程分析70-80
• 6.3.1 模拟试验1过程分析70-73
• 6.3.2 模拟实验5过程分析73-75
• 6.3.3 突水通道形成过程分析75-76
• 6.3.4 模拟试验7过程分析76-80
• 6.4“破裂致突”和“渗流致突”理论分析80-83
• 6.5 本章小结83-84
• 第7章 结论与展望84-87
• 7.1 主要结论84-85
• 7.2 创新点85-86
• 7.3 展望86-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92
• 作者简介92-93

【参考文献】

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