基于流固耦合的深部开采裂隙岩体突水数值模拟研究

摘要

随着开采深度的不断增加，深部岩石处于“三高一扰动”特殊地质力学环境中，使得深部围岩变形机理与浅部有所不同，导致深部开采中突水事故的频繁发生，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。矿井突水是由多种因素影响造成的，绝大多数煤层底板突水情况都与断层和陷落柱等断裂构造有直接关系。
　　本文采用理论分析、数值模拟、工程应用相结合的方法，针对深部采动条件下裂隙岩体的应力与渗流耦合作用进行全面、深入的研究，特别是针对断层和陷落柱突水因素及突水演化规律进行流固耦合数值模拟研究，对于实现煤矿的安全生产，防治深部开采条件下的裂隙岩体突水具有十分重要的理论意义与工程应用价值。
　　本文的主要研究内容及成果如下：
　　（1）系统学习裂隙岩体的渗流基本理论，并采用连续介质模型，以等效连续介质理论、达西定律和Biot经典耦合方程为基础，同时考虑三个主应力的综合影响，以应力和孔隙水压力作为渗透系数的函数，运用有效应力原理的方法，建立了等效连续裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型。
　　（2）采用RFPA2D-Flow数值模拟软件对不同条件下（围压、水压、节理）的岩石全应力应变和渗透性变化规律和岩石损伤破裂演化过程进行分析研究，得出了围压、孔隙水压、节理和岩石渗透性之间的关系。
　　（3）研究分析断层突水因素和断层活化的力学条件，并针对断层突水的不同影响因素（断层倾角、断层破碎带厚度和含水层水压），采用FLAC3D数值软件模拟了深部“三高一扰动”条件下的断层突水机理和这些影响因素在断层突水过程中所起到的作用。
　　（4）结合某煤矿1＃陷落柱突水评价具体工程实际，采用FLAC3D数值模拟的方法进行了1＃陷落柱的突水危险性预测，并提出相应的防治措施，指导煤矿的安全生产。

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1 绪论

1.1 课题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.4 论文的创新点

2 岩体渗流理论与流固耦合数学模型研究

2.1 岩体的渗透特性

2.2 岩石有效应力原理

2.3 孔隙水压力对岩石力学性质的影响

2.4 渗流场与应力场耦合数学模型

2.5 本章小结

3 岩石全应力应变过程渗透性数值分析研究

3.1 岩石渗流的研究现状

3.2 RFPA2D-Flow的基本原理

3.3 岩石破裂过程的数值模拟

3.4 本章小结

4 断层突水的应力—渗流耦合数值模拟

4.1 断层突水因素分析

4.2 断层突水危险性数值模拟

4.3 本章小结

5 陷落柱突水的应力—渗流耦合数值模拟

5.1 陷落柱突水影响因素分析

5.2 陷落柱突水危险性的数值模拟研究

5.3 陷落柱突水的防治技术

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢