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本文主要通过岩石力学渗流试验和相似模拟试验获得富水层下采动岩体裂隙参数,研究采动前后的覆岩物理、力学、水理性能;不同应力环境特别是在开采扰动影响下覆岩体的渗流特征,以及高含水、强补给岩体产生破坏后对其水理性能的影响;煤-岩介质在全应力应变过程中破坏特征和渗水强度关系。并建立相应流固耦合数值模型,对富水采动岩体渗透性特征进行研究。
首先,根据岩石全应力应变过程中的渗流试验研究了峰后岩石裂隙组的渗透性和应力的关系,根据单裂隙渗流试验,研究了单个裂隙与应力的关系。然后,根据关键层理论建立覆岩的力学模型,并应用弹性梁理论研究单一岩层破坏模式和覆岩周期破断规律。在此基础上,建立关键层组合梁周期破断形成裂隙正应力公式。
其次,通过相似模拟试验,揭示了覆岩走向剖面上导水裂隙带发育规律和覆岩破坏的力学机制;覆岩周期破断形成裂隙发育规律及周期来压规律;富水层下开采覆岩“两带”的变异特征和发育规律,覆岩断裂运动模式和断裂过程。通过流固耦合模拟实验,揭示出含水层渗水过程和规律。获得顶板涌水和透水的关键部位和主要通道。并且,相似模拟试验的现象也从宏观维象学的角度验证了前面理论分析。
最后,基于立方定律结合断裂力学和损伤理论建立富含水层下采动岩体的流固耦合模型,分析渗透性随采宽、水压、采深等参数的变化,研究采动岩体渗透性变化特征。应用流固耦合的理论模型结合相似模拟试验和数值模拟研究并提出富含水层下采动岩体裂隙发育规律及渗透性特征在导水裂隙带发育到最大高度,裂隙分维梯度骤减时,采动岩体渗透性达到最大。
此外,本文还在开始部分较为系统地总结了裂隙岩体渗流数值模拟的基础理论、已有成果和研究现状。最后用本文所发展的离散裂隙介质流固耦合数值模型分析了石嘴山煤矿富水开采覆岩裂隙渗流路径及渗透性特征,并得到了有益的结果。