承压开采底板破坏及突水机理数值模拟研究

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本文围绕底板破坏与突水问题,基于岩体渗流和岩体力学理论,从岩体微单元入手,深入探讨了岩石微单元体应变与孔隙水压的关系;并在此基础上借助数值模拟软件,从应力-渗流场共同作用的角度出发,考虑岩体开挖卸荷、岩体结构的非均质性,建立了岩体渗流应力耦合分析模型,对不同条件下岩体破坏演化规律和渗流特征进行分析研究,并进一步对承压开采数值模型进行了研究,论文主要研究内容和结论如下:  (1)基于流固耦合基本理论,综合考虑深部承压水上开采的特点,采用RFPA2D-Flow软件对卸荷岩石模型在水力耦合作用下的强度变化及破坏演变进行了研究,分析了有无水压、不同水压差下的围压卸荷及轴向循环加卸载岩石的强度变化及破裂路径演化机理,得出了在围压卸荷及轴向卸荷作用下的岩石渗流规律以及卸荷量与渗透系数间的关系。研究表明,对比无水压下的卸荷,水压作用下的卸荷岩石破坏更为明显,破坏时声发射较为分散,峰值强度较低;卸荷阶段岩石脆性增强,微裂隙不断萌生、扩展并加速贯通,渗透率不断增加甚至出现突跳现象;循环载荷下岩样表现出明显的强化特征,并发生塑性变形,卸荷时不能完全恢复,其渗透性能比直接加载下的低。  (2)考虑岩石非均质性,建立了含随机缺陷非均质岩石和岩石单元参数服从Weibull统计分布的细观尺度上的两类渗流非均质模型,分析了缺陷度、均质度对岩石力学特性及其渗流特征的影响规律。结果表明,随缺陷度增加,岩样峰值强度和残余强度逐渐降低。随弹模均质度增大,峰值强度、残余强度和弱化模量逐渐增加,“V”型剪切带较为明显,脆性破坏趋势增强,模型的渗透性能就越小,较小均质度对渗透性能的影响程度小于较大均质度的影响程度。随渗透系数均质度增大,总体渗透性能较大。  (3)借助FLAC3D有限元软件,建立了承压开采底板破坏数值模型,研究了采动底板破坏演化规律及隔水层的阻水侵入机理,对高压水导升过程中的水压损耗进行了模拟分析;并比较分析了均匀和非均匀底板承压开采引起的底板岩体破坏演化和渗流特征。研究表明,承压水随采动过程向上导升时,实际作用在有效隔水层上的水压并不是含水层中的原始水压,而是经过隔水层阻抗作用后的残余水压;随距离含水层越远,孔压值越小;含水层水压越大,导升高度愈大,底板突水危险性愈大;底板岩层参数的均质度愈大,底板破坏程度和破坏区域愈小,渗流路径和突水位置较明显。
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