弱胶结砂岩水—力耦合作用破坏机制及渗透特性研究

摘要

西部部分矿区覆岩强度低、胶结程度差且内部存在含水层,煤层开采导致含水层下覆岩受水-力耦合作用发生破断并形成裂隙,若裂隙发育沟通含水层道,可能造成工作面发生涌水、溃沙等矿井水害。本文选取西部矿区典型弱胶结砂岩为研究对象,通过开展室内试验研究了弱胶结砂岩的物理性质、吸水特性和不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏机制;通过进行理论分析构建了考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型,建立了考虑孔隙率的数值计算模型,并对其进行了验证;通过开展数值试验研究了不同孔隙水压弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏机制和渗透特性。研究成果为了解西部矿区覆岩水-力耦合作用破断机制及裂隙发育规律提供了理论指导。开展了物理性质分析试验,研究了弱胶结砂岩的矿物组成成分、细观形貌结构特征及孔隙结构分布特征。试验结果表明,弱胶结砂岩由约10%的胶结物质和约90%的矿物颗粒组成;矿物颗粒粒径大约为150～300μm,胶结物质多分布在矿物颗粒表面;孔隙孔径大多分布在1000～10000nm区间内。开展了吸水特性试验,研究了弱胶结砂岩吸水性能、孔隙吸水变化规律和吸水形貌变化规律。试验结果表明,弱胶结砂岩吸水过程分为三个阶段,分别为快速吸水阶段、慢速吸水阶段与完全饱和阶段,快速吸水阶段砂岩吸水能力较强,其余阶段吸水能力较弱;孔隙吸水变化规律受吸水阶段影响,快速吸水阶段矿物颗粒体积吸水增大,孔隙孔径受矿物颗粒体积增大挤压变小,慢速吸水阶段矿物颗粒体积不再发生变化,孔隙孔径逐渐吸水扩张,完全饱和阶段后孔隙孔径不再发生变化;形貌变化规律受吸水阶段影响,快速吸水阶段表面矿物颗粒体积吸水变大,表面裂隙受矿物颗粒体积变化挤压消失,慢速吸水阶段矿物颗粒体积不再发生变化,表面裂隙逐渐吸水扩张并贯通,完全饱和阶段后裂隙不再发生变化,岩样表面形成水膜。开展了单轴压缩和直剪试验,研究了不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏机制。研究结果表明,随含水率的逐渐增加,弱胶结砂岩的抗压强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角等力学参数逐渐降低,泊松比参数逐渐升高;破坏形态逐渐从“X”型共轭剪切破坏向单斜面破坏过渡。基于岩石统计损伤力学理论,构建了考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型;利用FLAC3D软件,建立了考虑孔隙率的数值计算模型;开展了单轴压缩数值模拟试验对本构模型和数值计算模型进行了验证,对比分析了室内试验与数值试验的结果,证明了本构模型和数值计算模型的正确性及模拟结果的可靠性。采用构建的本构模型和数值计算模型,开展了三轴渗透数值模拟试验,研究了不同孔隙水压弱胶结砂岩水-力耦合作用渗透破坏特性,分析了不同孔隙水压弱胶结砂岩的力学性质、裂隙演化、渗漏通道和渗流量的变化规律;确定了不同孔隙水压弱胶结砂岩渗水通道演化规律与渗流量之间为正相关变化关系。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 弱胶结砂岩物理性质及吸水特性研究现状

1.2.2 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合破坏机制研究现状

1.2.3 考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型研究现状

1.2.4 弱胶结砂岩水-力耦合作用数值模拟研究现状

1.2.5 不同孔隙水压弱胶结砂岩水-力耦合作用渗透破坏特性研究现状

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线图

1.4 创新点

2 弱胶结砂岩物理性质及吸水特性研究

2.1 西部矿区弱胶结砂岩力学性质统计

2.2 弱胶结砂岩物理性质分析

2.2.1 矿物成分分析

2.2.2 细观形貌结构特征分析

2.2.3 孔隙结构分布分析

2.3 弱胶结砂岩吸水特性分析

2.3.1 吸水特性分析试验

2.3.2 吸水性能分析

2.3.3 孔隙吸水变化规律

2.3.4 吸水形貌变化规律

2.4 本章小结

3 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏机制研究

3.1 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用力学试验

3.1.1 单轴压缩试验

3.1.2 直接剪切试验

3.2 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用力学试验结果分析

3.2.1 单轴压缩试验应力-应变变化规律

3.2.2 单轴压缩试验力学性质变化规律

3.2.3 直剪试验力学性质变化规律

3.3 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏机制分析

3.3.1 破坏裂隙演化规律

3.3.2 破坏机制分析

3.4 本章小结

4 考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型构建

4.1 考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型推导

4.1.1 水-力耦合损伤变量定义

4.1.2 水损伤变量的确定

4.1.3 力损伤变量的确定

4.1.4 水-力耦合损伤变量的确定

4.1.5 微元强度的确定

4.1.6 考虑含水率的弱胶结砂岩水-力耦合作用损伤本构模型

4.2 考虑孔隙率的弱胶结砂岩数值计算模型的建立

4.2.1 FLAC

软件的微元破坏判定准则

4.2.2 FLAC

软件的本构模型开发

4.2.3 考虑初始缺陷的数值模型建立

4.3 不同含水率弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏单轴压缩模拟试验验证

4.3.1 不同含水率弱胶结砂岩应力-应变变化规律

4.3.2 不同含水率弱胶结砂岩塑性区演化规律

4.3.3 不同含水率弱胶结砂岩破坏裂隙演化规律

4.4 本章小结

5 不同孔隙水压弱胶结砂岩水-力耦合作用渗透破坏特性模拟研究

5.1 弱胶结砂岩水-力耦合作用破坏特性分析

5.1.1 三轴渗透数值模拟试验

5.1.2 不同孔隙水压弱胶结砂岩应-力应变变化规律

5.1.3 不同孔隙水压弱胶结砂岩塑性变化演化规律

5.1.4 不同孔隙水压弱胶结砂岩破坏裂隙演化规律

5.2 弱胶结砂岩水-力耦合作用渗透特性分析

5.2.1 不同孔隙水压弱胶结砂岩渗流通道演化规律

5.2.2 不同孔隙水压弱胶结砂岩渗流量变化规律

5.2.3 不同孔隙水压弱胶结砂岩渗流通道与渗流量变化规律

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献