破碎岩体变质量流固耦合动力学理论及应用研究

摘要

随着煤矿开采向深部延伸,矿井突水成为煤矿安全生产的重特大灾害之一。我国煤矿重特大事故中,突水灾害的发生次数仅次于瓦斯和顶板事故,但造成的经济损失却高居榜首。破碎岩体渗流及其灾变规律是煤矿突水机理研究的基础。本文综合运用实验测试、理论分析和数值模拟等方法与手段,对破碎岩体变质量流固耦合力学理论及煤矿陷落柱突水的机理进行了系统的研究,取得了如下研究成果:
　　(1)自行研制了可考虑颗粒迁移流失的破碎岩体渗透试验系统,成功地测试了试样的骨料与填充物配比、轴向压力及含砂量等对破碎岩体渗流特性及其突变规律的影响,得到了测试系统的水压与流量、试样的孔隙率及充填物流失速度等随时间的变化规律。
　　(2)基于连续介质力学理论,建立了破碎岩体骨架变形—固体颗粒迁移—水渗流的变质量流固耦合动力学模型,给出了破碎岩体渗流的质量守恒方程和动量守恒方程,导出了由于溶蚀、颗粒迁移等导致破碎岩体孔隙率变化的控制方程等。并用数值方法得到了破碎岩体孔隙率、渗透率、充填物流失速率、涌水量以及水压力等参数的变化规律。
　　(3)开展了陷落柱充填物的X射线衍射(XRD)试验,依据晶体对X射线的衍射测定了充填物的组成及含量;应用比重计法进行了陷落柱充填物的颗粒粒径分布特征测试,得到了陷落柱充填物颗粒粒径分布曲线;给出了充填物成分及颗粒粒径分布对陷落柱渗透特性的影响规律。
　　(4)借助于数值模拟方法,分析了受隐伏充水陷落柱威胁煤矿采场工作面突水的危险性,得到了工作面涌水量、陷落柱孔隙率、陷落柱溶蚀颗粒迁移速度等随承压含水层水压、围岩强度和陷落柱初始孔隙率、工作面推进距离等因素的变化规律,可为导水陷落柱防水煤柱留设提供参考。
　　研究成果可为煤矿突水机理、预测预报方法及防治技术研究提供重要参考。
　　该论文有图108幅,表28个,参考文献155篇。

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变量表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义(Issue Presentation and Research Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Development at Home and Abroad) 1.2.1 破碎岩体渗流试验研究

1.3 研究目标与研究内容(Research Objectives and Contents)

1.4 研究方法与技术路线(Research Methods and Technique Course)

2 陷落柱充填物成分及颗粒结构特征分析

2.1 充填物的X射线衍射物相分析(X-ray Diffraction Analysis for the Filling Material)

2.2 充填的颗粒粒径分布特征测定(Particles Size Distribution Characteristics Testing for the Filling Material)

2.3 充填物的成分对陷落柱渗透特性的影响(Effect of Component and Particles Distribution on the Seepage Characteristics of Filling material)

2.4 本章小结(Summary)

3 破碎岩体渗透试验系统研制

3.1 研制目的及意义(Signification of Design of Seepage Testing System)

3.2功能及性能指标(The Function Index for the Testing System) 3.2.1 试验系统功能

3.3 试验系统的设计(Design of the Testing System)

3.4 试验系统的调试(Operation Effect of the Testing system)

3.5 本章小结(Summary)

4 破碎岩体变质量渗透试验研究

4.1 试验原理和方法(Testing Method and Principles)

4.2 试样制备及试验方案(Sample Design and Testing Schemes)

4.3 试验过程(Testing Processes and Steps)

4.4试验结果及分析(Testing Results and Analysis)

4.5 破碎岩体渗流突变机制分析(Seepage Mutation Mechanism Analysis for Broken Rock Mass)

4.6 本章小结(Summary)

5 破碎岩体渗流的变质量流固耦合动力学行为研究

5.1 破碎岩体渗流过程中质量变化的描述(Description of the Mass Change During Seepage Process for Broken Rock Mass)

5.2 变质量流固耦合动力学模型(A Liquid-Solid Coupled Model with Variable Mass)

5.3 方程总结(Equations Summary)

5.4 煤矿陷落柱渗流及突水力学模型 (Introduction of Water Inrush Mechanical Models for Karst Collapse Columns)

5.5 本章小结(Summary)

6 破碎岩体变质量流固耦合动力学模型数值求解6 Numerical Solution of the Fluid-solid Coupling Model with Variable Mass

6.1 数值分析方法及软件简介(Numerical Analysis Method and Software Introduction)

6.2 变质量流固耦合模型的求解(The Solution of Fluid-solid Coupling Model with Variable Mass)

6.3 本章小结(Summary)

7 煤矿陷落柱突水危险性数值模拟

7.1 煤矿陷落柱突水概述(Introduction of Karst Collapse Column Water Inrush)

7.2 陷落柱突水危险性分析的数值计算模型(Numerical Simulation Model for Karst Collapse Columns Water Inrush Risk)

7.3 含水层水压对陷落柱突水危险性的影响(Effect of Aquifer Water pressure on Karst Collapse Column Water Inrush Risk)

7.4 煤层工作面围岩强度对陷落柱突水危险性的影响(Effect of Coal Floor Rock Strength on Karst Collapse Column Water Inrush Risk)

7.5 初始孔隙率对陷落柱突水危险性的影响(Effect of Initial Porosity on Water Inrush Risk of Karst Collapse Column)

7.6 本章小结(Summary)

8 主要结论

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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