冲蚀诱发断层突水的流固耦合机理及应用研究

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随着我国煤矿开采向深部延伸,断层等含破碎岩体的地质构造突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。多年来,大多数研究主要从采动底板破坏及断层活化的角度研究断层突水机理,但是现有研究成果尚不能完全揭示断层的滞后突水机理。本文以断层充填物为主要研究对象,综合采用理论分析、实验研究、数值模拟以及现场实验等手段对冲蚀诱发的断层突水流固耦合机理进行系统研究。主要研究内容包括:(1)利用可考虑颗粒迁移的渗透实验系统,分析了松散试样在不同水压、不同配比等条件下的质量流失率、渗透率、孔隙率等参量随时间变化规律,渗透实验显示岩体的渗透性变化可分为三个阶段,即渗流缓慢变化阶段、渗流加速增大阶段和渗流稳定三个阶段。(2)在实验结果的基础上,基于岩体流固耦合基本理论,针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体三部分,根据质量守恒推导了充填物颗粒和流体的质量守恒方程、推导了考虑冲蚀作用的孔裂隙演化和渗透率变化方程,得到了考虑孔隙压力的变形控制方程以及渗流方程,结合边界条件和初始条件,建立了断层突水的流固耦合数学模型。(3)以理论模型为基础,重点考虑冲蚀对断层充填物颗粒运移和渗透性变化的影响,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,对理论模型进行了求解,进行建模并计算分析,模拟研究了不同含水层水压、裂隙分布以及初始裂隙开度等条件下断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规律。(4)考虑采动下断层突水的实际情况,运用COMSOL Multiphysics软件对采动影响下的采场围岩应力、变形、破坏规律以及颗粒运移、渗透性变化等规律进行模拟研究,分析得到采动影响下断层突水通道演化规律,并将研究成果应用于断层突水预测,为断层突水合理煤柱留设等突水防治技术提出了建议。本文从冲蚀作用下断层内部充填物渗透性改变引发渗流失稳的视角揭示断层等地质构造引发突水的机制,并为其突水防治提供指导和借鉴。
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