采动破碎岩体非线性渗流规律研究

摘要

水在采动破碎岩体中的渗流失稳会引发动力学灾害，因此关于破碎岩体渗流的动力学研究具有重要的理论意义和应用前景。本文从破碎岩石的渗流试验、非线性动力学理论及数值分析等方面对破碎岩体非Darcy渗流的动力学行为进行了较为系统的研究。论文的主要研究成果及创新点为： （1）通过砂岩、煤矸石、灰岩三个类别的破碎岩石，在实际的压实环节中的水渗流试验，通过各方面的试验从而获得计算固体颗粒细化过程的非Darcy渗流方程，并且计算得出特性参数伴随孔隙率所产生的变化的基本规律。 （2）研究了破碎岩体非Darcy水渗流系统的非线性动力学行为，分析了该系统的渗流平衡态特征。分析的过程中依靠逐次亚松弛差分迭代法，从而针对无量纲化平衡态的稳定性问题开展针对性的数值研究，在分析中提出随着非Darcy渗透参数的变化，破碎岩体渗流系统存在鞍–结分岔及折叠突变。给出了破碎岩体水渗流系统折叠突变时关于广义状态变量—无量纲化渗流速度的标准势函数。 （3）根据多孔介质的有效应力原理，建立了同时考虑固体骨架运动和流体运动的含有渗流变量的应力场控制方程、含有应力场体积应变的渗流场控制方程，得到了应力场与渗流场相互耦合的非线性动力学方程组，并探讨了方程组解耦的方法及条件。 （4）导出了采空区堆积破碎岩体由自然堆放状态逐渐过渡到压实稳定状态时的一维非Darcy渗流–固耦合动力学方程组，给出了边界压应力趋于稳定时的动力学响应，并与解耦后的动力学响应进行了比较。

目录

声明

致谢

变量注释表（List of Variables）

1 绪论

1.1研究意义（Research Significance）

1.2研究目标（Research Objectives）

1.3研究内容（Research Contents）

1.4研究方法与技术路线（Research Approach and Technique Way）

2破碎岩体渗流的基本理论及研究现状

2.1 破碎岩体渗流的基本概念（Basic Concepts of Flow in Broken Rock）

2.2 Darcy定律与非Darcy渗流（Darcy Law and Non-Darcy Flow）

2.3 连续性方程(Continuity Equation)

2.4 状态方程（State Equation）

2.5 破碎岩体的渗流及变形研究现状（Research Actuality of Flow and Deformation of Broken Rock）

2.6 本章小结（Summary）

3 承压破碎岩石非Darcy渗流渗透特性试验

3.1 概述（Introduction）

3.2测试原理与方法（Test Principle and Method） 3.2.1 岩石渗透试验方法简介

3.3 试验过程与流程编程（Test Course and Flow Program）

3.4 试验结果与数据分析（Test Results and Data Analyses）

3.5 关于Darcy流偏离因子符号讨论(Discussion on Denotation of the Coefficient of Deviating from the Darcy Flow)

3.6 本章小结(Summary of This Chapter)

4 破碎岩体非Darcy水渗流的非线性动力学研究

4.1 一维非Darcy渗流的动力学方程（Dynamic Equations about Non-Darcy Flow of One Dimension）

4.2 初始和边界条件(Initial Condition and Boundary Condition)

4.3 系统的平衡态（Equilibrium State of the Flow System）

4.4 模型的数值计算(Numerical Calculation of the Model)

4.5 平衡态的稳定性分析(Stability Analysis of Equilibrium State)

4.6 破碎岩体渗流动力系统的分岔研究(Bifurcation Study on Flow Dynamic System of Broken Rock)

4.7 破碎岩体渗流失稳的突变模型(Catastrophe Model of Flow Instability in Broken Rock )

4.8 本章小结(Summary of this Chapter)

5 破碎岩体流固耦合渗流的非线性动力学分析

5.1 应力场方程(Stress Field Equation)

5.2 渗流场方程(Equation of Flow Field)

5.3 状态方程(State Equation)

5.4 解耦方法及条件(Decoupling Method and Condition )

5.5 破碎岩体一维非Darcy渗流的非线性动力学模型及数值计算(Nonlinear Dynamic Model on Non-Darcy Flow of One Dimension in Broken Rock)

5.6 一维弹性流固耦合的非线性动力学分析(Nonlinear Dynamic Analysis of Elastic solid–Fluid Coupling of One Dimension )

5.7 本章小结(Summary of this Chapter)

6 结论

参考文献

作者简历

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