水-力耦合下单裂隙灰岩破坏特性与隐伏断层突水分析

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裂隙岩体是自然界广泛存在的一种复杂介质,其内部存在诸如节理、微裂隙等缺陷,给岩石地下工程施工带来安全隐患,而水-力耦合作用对岩石的力学特性与工程实际问题有着关联性,对于各类岩体工程运营间的长期稳定性至关重要,岩石地下工程规模的不断扩展,水在岩体工程中“渗、涌、突”等工程问题日趋突出,其效应表现的比较明显,因此,研究岩体在复杂的条件下的水力耦合裂隙扩展规律具有重要的现实意义。本文基于前人的研究成果,采用室内试验、理论分析等研究方法,通过对完整灰岩开展单、三轴压缩试验,对单裂隙灰岩水力学特性开展三轴试验,对单裂隙灰岩的水力特性进行较为全面的研究,本文的主要研究内容如下:(1)通过对完整灰岩进行了三轴压缩力学特性试验,得到了灰岩的三轴强度、抗剪强度的指标c、φ、泊松比μ、变形模量E50等基本参数,探讨了围压对灰岩的力学特性的影响。(2)采用MTS815岩石多功能电液伺服试验机,对单裂隙灰岩进行水力耦合三轴压缩试验,得出了在围压和水压不同的情况下,水力耦合下含裂隙灰岩应力-应变曲线随着裂纹倾角的变化,呈现出4种峰值曲线类型,裂隙角为15°时,应力-应变曲线主要呈现为前高后低双峰型,裂隙角为45°时,应力-应变曲线主要呈现为前低后高双峰型,单峰残余型,裂隙角为75°时,应力-应变曲线主要呈现为常规单峰型。在同孔隙水压、同围压情况下,随着裂纹倾角的变化,水力耦合下的含裂隙岩样也随之变化,裂纹角度75°时含裂隙岩样的三轴压缩强度最高,15°次之,45°最小。(3)开展水-力耦合作用岩石翼形裂纹扩展模型理论研究,对已有的翼形裂纹模型进行水-力耦合作用岩石翼形裂纹扩展模型的修正,利用弹性力学理论方法建立有限元模型,并将水-力耦合作用岩石翼形裂纹扩展模型分析结果与有限元结果进行验证,引入残差平方和进行判断,从而选出最优水-力耦合下的翼形裂纹模型。(4)将理论分析结果应用于煤矿底板隐伏断层突水的工程中,结合理论分析的结果对其进行隐伏断层突水的断裂力学基础、隐伏断层突水断裂力学模型、隐伏断层突水断裂力学判据的分析,提出了一种隐伏断层突水的预测方法。
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