基于颗粒流的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性研究
本文关键词：基于颗粒流的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性研究 出处：《中国矿业大学》2016年硕士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：我国西部地区煤炭资源十分丰富,占我国煤炭资源预测总量的近80%,但该地区浅埋煤层上覆为弱胶结岩层和松散含水层,采掘过程中极易发生水沙灾害,严重威胁矿井的安全生产。因此,开展对裂隙岩体水沙两相流规律的研究对西部煤炭安全开采有着重要的理论和工程实际意义。本文主要通过格子Boltzmann方法和多相流理论对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,并利用颗粒流软件对裂隙岩体的力学特性、堆积沙粒的起动规律、溃沙流动规律以及上覆厚松散沙层开采造成的顶板垮落进行数值模拟分析。主要研究工作如下:(1)颗粒流模拟参数与宏观参数对应关系研究。通过数值模拟不同细观参数模型的宏观响应,分析了接触刚度、粘结强度、摩擦系数、孔隙比、刚度比以及粘滞系数等微观参数对宏观力学行为的影响;标定了接触刚度、粘结强度、摩擦系数和粘滞系数等与裂隙岩体水沙两相流动的相关参数。(2)弱胶结裂隙岩体结构特征和力学特性分析。从微观角度分析了弱胶结岩石的组成成分以及胶结程度;基于颗粒流方法分别建立完整岩石和裂隙岩石数值模型,分析了完整岩石和裂隙岩石的抗拉、抗压等强度特性和变形特性;建立了弱胶结岩石的力学本构方程。研究表明,裂隙的存在对破坏面的形态和破坏面位置都有重要影响,裂隙的存在使得岩体峰值强度、残余强度和初始弹性模量等力学参数减小,降低了岩石力学性能。(3)建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型。基于格子Boltzmann方法推导了水沙两相的基本守恒方程;建立水沙两相流动系统的控制方程;基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面;基于离散元方法得到了颗粒碰撞力学模型。(4)裂隙岩体水沙两相颗粒运动规律分析。理论分析了沙粒堆积体在水流作用下的起动流速,并得到沙粒起动流速判别式;数值模拟沙粒起动,得到沙粒堆积体在起动过程为分层运动的规律;数值模拟裂隙溃沙,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,发现沙粒在进入裂隙前呈现出的漏斗状形态,沙粒进入裂隙后,在裂隙内做“S”型曲线运动;建立上覆厚松散沙层矿井开采的顶板力学模型,利用断裂力学理论分析得到造成顶板垮落裂隙尖端的应力强度因子;分析突水溃沙通道水压及水沙混流速度的变化;水流涌入裂隙后弱化了岩体结构,沙粒堵塞,岩体孔隙压力增大,裂隙迅速发育扩展,加速顶板垮落。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD32;TD771
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，本文编号：1325758
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