破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

渗流对泥质页岩蠕变规律的影响

地下水渗流易引发深部岩体工程地质灾害,而深部岩体中泥质页岩对渗流极为敏感,本文就渗流对泥质页岩的蠕变影响进行研究,基于软岩工程力学和岩石力学理论,将泥质页岩视为多孔介质,渗流视为流体在孔隙中的管流,用单向流体在多孔介质中渗流的固流耦合数学模型作为力学模型,结果表明渗流是影响软岩蠕变变形的重要因素,蠕变量和蠕变速率都随渗流量的增加呈现非线形增大。     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用

为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀力学模型。结合研究矿区地质条件,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,模拟研究了陷落柱内裂隙开度、颗粒体积浓度、涌水量等随时间的变化规律,数值再现了煤矿底板承压陷落柱突水发展的全过程。研究结果表明:(1)数值模拟得到的陷落柱涌水量曲线与实测数据吻合较好,验证了本文建立的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀耦合模型的正确性。(2)在骨架变形-水渗流-充填物颗粒冲蚀迁移耦合作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断扩展并贯通发展成为优势导水通道,导致陷落柱涌水量急剧增大并引发了突水事故。     

含水层水压对底板断层突水危险性的影响

随着煤矿开采深度的增加,受奥灰岩溶底板高承压水的威胁日趋严重,矿井突水事故的频率不断增加。建立了弹塑性多孔介质渗流应力耦合模型,并基于多物理场耦合模型软件COMSOL Multiphysics,结合徐州某矿突水实例,分析了含水层水压的变化对含断层底板突水危险性的影响。研究表明:随着含水层水压的增大,岩体介质的有效应力减小,岩体强度降低并容易产生塑性破坏;含水层水压越大,底板的塑性破坏区范围越大,含断层底板的突水危险性越大。研究结果可为承压水上采煤底板断层突水的防治提供参考。     

含卸压孔煤岩蠕变特性研究

为了研究含卸压孔煤岩蠕变特性，开展了单轴压缩条件下完整煤岩与含卸压孔煤岩在不同应力水平条件下的蠕变试验。试验结果表明：同级应力水平下，煤岩蠕变经历了瞬时弹性变形、减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变的演化阶段；含卸压孔煤岩的瞬时应变和蠕变量比完整试样更大；且基于FLAC3D的数值模拟结果与实际试验结果十分相似，说明所采用的Burgers模型能够较好地反映煤岩蠕变物理力学性能。研究结果对含卸压孔煤岩体长期强度分析及冲击地压解危具有较好的理论指导意义。     

基于应力-渗流-损伤耦合作用下煤矿突水模拟

突水是影响煤矿安全生产的重大灾害问题之一。本文以山西阳泉煤矿顶板突水为例,考虑突水破坏过程中岩体损伤的判别依据,及其对煤岩体力学性质的影响,建立应力-渗流-损伤耦合模型,阐述了煤岩体破坏的损伤演化过程与渗流突水机理。结果表明,顶板岩体损伤区域贯通、两侧裂隙网络交汇是造成阳泉煤矿顶板突水的根本原因。在此过程中,煤岩体中的裂隙延展、渗流状态与应力演化之间的相互作用,导致岩体损伤破裂形成贯通性的导水通道,诱发突水灾害的产生。研究结果为矿山隔水煤柱的留设提供了依据,也为煤矿顶板突水问题提供了研究思路。     

基于应力-渗流-损伤耦合作用的煤矿突水模拟

突水是影响煤矿安全生产的重大灾害问题之一。本文以山西阳泉煤矿顶板突水为例,考虑突水破坏过程中岩体损伤的判别依据,及其对煤岩体力学性质的影响,建立应力-渗流-损伤耦合模型,阐述了煤岩体破坏的损伤演化过程与渗流突水机理。结果表明,顶板岩体损伤区域贯通、两侧裂隙网络交汇是造成阳泉煤矿顶板突水的根本原因。在此过程中,煤岩体中的裂隙延展、渗流状态与应力演化之间的相互作用,导致岩体损伤破裂形成贯通性的导水通道,诱发突水灾害。研究结果为矿山隔水煤柱的留设提供了依据,也为煤矿顶板突水问题提供了研究思路。     

基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用

在Perzyna黏弹塑性理论的基础上,引入基于应变能理论的岩石细观单元强度损伤模型,同时考虑岩石蠕变过程中蠕变速率随时间变化的特性,构建了能描述岩石从初始蠕变、稳定蠕变到非线性加速蠕变整个蠕变过程的细观黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型,并将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D)中,通过实验数据验证该模型的正确性。应用该模型进行不同轴向应力、不同围压和不同均质度系数条件下的单、三轴压缩蠕变过程数值实验,结果表明:① 轴向应力提高增加了蠕变速率,因此减少了蠕变失效时间;② 围压和均质度系数的增加降低了蠕变速率并增加了蠕变失效时间,较好的再现了典型的实验现象。将该模型用于解释煤矿中“蠕变型”冲击地压的力学机理,较好的反映了煤矿巷道开挖后弹性应变能累积,围岩经历稳定蠕变和加速蠕变的损伤破坏过程,可为岩体工程的长期稳定性研究提供分析工具。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

孔隙水压对岩体蠕变影响研究

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹性力学理论以及粘弹性蠕变力学理论。导出了巷道围岩的应力、应变、位移等的分布规律，以及它们与孔隙水压力之间的关系；找到了影响蠕变的又一主要因素——孔隙压力，建立了深部岩体非线性蠕变的力学模型和数学模型。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

基于岩石工程系统的煤层底板突水机制

为了系统描述煤层底板突水渗流-应力耦合作用机制,引入相互作用过程矩阵,提出优化的岩石工程系统方法,构建了煤层底板突水网络系统。突水网络主对角元素包括采掘工程、应力场、岩体结构和渗流场;系统分为工程活动、采掘活动扰动效应、渗流应力耦合矩阵和水害综合控制方法等4个功能区。研究表明:采掘活动产生一系列并行和时变的影响,是突水发生的诱因;突水通道的形成和演化是渗流-应力耦合作用过程,不同底板岩体结构具有不同的突水发生机制;底板水害防治要从系统的观点出发综合考虑不同因素的影响,在RES网络中施加合理干扰。研究结果可以为复杂水害问题的分析提供思路和方法。     

含水煤体蠕变损伤特性及本构模型研究

为了获得水力孔洞周围煤体随时间的蠕变规律，进行不同含水率煤样的分级单轴加载蠕变试验。研究不同含水率煤样的蠕变规律及蠕变损伤演化特征，然后结合含水率优化传统Burgers模型。试验结果表明：煤样随含水率的增加，瞬时应变、稳定蠕变和加速蠕变都逐渐增大；瞬时应变均小于逐级加载阶段的蠕变应变；与干燥状态相比较，含水率为0.89%,3.54%和6.26%的煤样最终蠕变量分别为1.23 mm、1.68 mm和1.89 mm,蠕变量分别增加了9.82%,50%和68.75%,高含水率煤样蠕变增加幅度较大。基于含水率对蠕变参数的影响，传统的Burgers模型能描述衰减蠕变和等速蠕变两个阶段，但是，缺少对加速蠕变阶段的描述，以及串并联组合成的蠕变模型缺少对非线性蠕变过程的描述；引入含水损伤下的弹性元件和一个非线性时变黏性元件，对构建的含水损伤蠕变本构模型采用Levenberg-Marquardt优化算法辨识和反演确定参数，蠕变模型的理论计算值与试验结果吻合程度较高，能够描述煤体含水后的蠕变破坏规律。     

矿井岩溶突水灾变机理

结合湖南娄底市七一煤矿石坝井岩溶突水、突泥实例,运用损伤力学及岩体流体力学理论,研究矿井岩溶突水的渗流-损伤-断裂耦合成灾机理,通过FISH研制矿井岩溶突水的渗流-损伤-断裂耦合分析程序（扩展FLAC3D模型）,对七一煤矿岩溶突水成灾过程进行耦合分析,探讨巷道掘进过程中围岩渗流场和岩柱的劈裂损伤演化规律。耦合研究认为：七一煤矿石坝井岩溶突水事故是裂隙渗透压与围岩次生应力场共同作用下茅口灰岩岩柱损伤演化;在高渗透体积力与围岩次生应力的耦合作用下,处于全损伤状态的岩柱水力劈裂导致矿井岩溶突水成灾;耦合分析发现矿井岩溶突水具有渗透系数突变、渗透体积力突变及位移突变等特性。探讨了防范矿井充填型溶洞突水高风险的应对措施及合理的岩溶突水临界岩柱。     

基于流固耦合效应的岩层渗透系数演化规律与断层活化突水数值模拟研究

针对断层活化突水数值研究过程常忽略流固耦合效应的影响且各层位渗透系数常设为固定值的弊端,采用FLAC^3D有限差分软件建立采动断层活化突水数值计算模型,并基于Fish语言编制断层及顶底板岩层在弹性及塑性范围内渗透系数随有效应力、初始孔隙率、残余孔隙率等变化的程序,用于采动断层活化突水数值计算,在考虑塑性区及孔隙压力、渗流矢量变化的基础上,分析了不同水压对断层活化突水的影响规律。结果表明,断层活化范围与承压水水压呈正相关的关系,当模型水压分别为3.0、3.5 MPa时,断层上部及底部发生了活化而中部未发生活化现象;当水压为4.0 MPa时,煤层底板断层整体发生了活化。通过对理论公式的赋参计算,得到了临界突水水压为3.97 MPa,验证了数值结果的正确性。     

岩体破坏突水失稳的水压致裂机理及工程应用分析

首先从渗流-损伤耦合角度深入研究水压致裂破坏机理,探讨水压致裂过程的渗流-损伤耦合效应,提出了研究水压致裂的难点是破坏模式及失稳压力的确定.针对矿山采动岩体破坏突水问题,系统解释了渗透系数、有效应力系数在突水机理研究中的工程意义.其次,通过对煤层开采过程中底板突水实例模拟,分析了渗流-损伤耦合作用,从稳态和瞬态两个方面探讨了不同有效应力系数条件下煤矿底板突水过程的渗流-损伤耦合效应.研究结果表明:岩层破坏突水不仅和岩层的应力状态和力学强度密切相关,而且还受控于岩层的渗流力学指标;煤层底板有效应力系数越大,突水失稳临界水压越小;渗透系数越大,突水失稳临界水压越小,这对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质和突水系数的内涵,具有重要的理论和实用价值.     

断层上下盘采动活化突水数值模拟研究

 摘 要：为了研究断层上下盘开采活动对断层活化突水的影响规律,本文利用数值计算软件FLAC3d,结合赵固二矿F109正断层的实际地质条件,建立数值计算模型。研究了工作面分别布置于断层上下盘时周边围岩应力场与渗流场的耦合作用,以及周边岩体应力和位移的变化情况。模拟结果表明,断层活化突水是塑性破坏场与渗流场相互耦合作用的过程;当工作面布置在断层上盘时,开采过程中底板位移量较大,断层上盘承受的垂向应力较断层下盘要大。断层上下盘开采活动对断层活化影响作用不同,工作面布置于断层下盘开采更安全。