水—力耦合作用下裂隙岩体渗流规律与突水机理研究
发布时间：2024-03-05 04:22
随着地下工程的不断发展,愈来愈多的地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,水-力耦合问题涉及渗流特性的变化规律,亦包括裂隙岩体微裂隙的起裂、变形扩展、贯通机理。目前,水-力耦合作用下裂隙岩体在渐进破坏过程中的力学和渗流特征及耦合机制仍存在空白区。本文以煤层底板突水灾害为研究背景,采用理论分析、室内试验和数值模拟的方法,研究了单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙试样的非线性渗流规律,利用声发射监测手段研究了裂隙岩体在水-力耦合作用下的渐进破坏演化机理,在此基础上进一步采用有限元方法模拟了煤层采动作用下煤层底板破裂损伤的变化规律,并提出相应的防治措施。取得的主要研究成果如下:(1)开展不同围压、水压和倾角下的单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙砂岩试样的渗流试验,利用福希海默(Forchheimer)方程分析了裂隙砂岩试样在水-力耦合试验过程中压力梯度和流量的非线性特征。发现裂隙影响下,裂隙砂岩试样的非线性曲线凸向压力梯度轴,并且试验加载的围压和试样的裂隙产状对福希海默方程线性项系数a和非线性项系数b产生直接影响。(2)分析惯性阻力系数β和固有渗透率k的关系,提出了裂隙砂岩中流体流动的非线性惯性参数方程,依据...
【文章页数】：223 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
1.1 选题背景
1.2 研究意义
2 文献综述与研究内容
2.1 水-力耦合作用下裂隙岩体力学特性研究
2.2 水-力耦合作用下裂隙岩体渗流特性研究
2.3 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏全过程研究
2.4 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏数值模拟研究
2.5 水-力耦合研究存在的问题
2.6 研究内容及技术路线
2.6.1 主要研究内容
2.6.2 技术路线
3 水-力耦合作用下裂隙岩体渗流特性试验研究
3.1 材料选取及物理力学特征
3.1.1 材料选取、试样加工及细观测试
3.1.2 试样孔隙度及孔径测试
3.2 试验方案、设备及步骤
3.2.1 试验方案
3.2.2 试验设备及步骤
3.3 基于福希海默方程的非线性渗流行为分析
3.3.1 裂隙砂岩非线性渗流行为分析
3.3.2 福希海默系数的参数表达式
3.4 有效评估达西定律的适用性方法
3.4.1 归一化导水系数法
3.4.2 压力梯度比法
3.4.3 体积流量比法
3.5 福希海默系数探讨及裂隙砂岩渗流特性对比分析
3.5.1 福希海默系数探讨及物理意义
3.5.2 渗流特性对比分析
3.6 水-力耦合机制分析
3.6.1 有效应力系数确定
3.6.2 渗透率与法向应力关系分析
3.7 本章小结
4 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏机制研究
4.1 试验方案、设备及步骤
4.1.1 试验方案
4.1.2 试验设备及步骤
4.2 水-力耦合作用下裂隙砂岩力学特性
4.2.1 裂隙砂岩渐进破坏应力-应变关系
4.2.2 裂隙砂岩渐进破坏阈值确定
4.2.3 强度特性分析
4.2.4 变形特性分析
4.3 基于声发射裂隙砂岩变形破坏演化规律
4.3.1 声发射监测技术及设备
4.3.2 基于声发射时序特征参数的变形破坏特征分析
4.3.3 基于声发射频域特征参数的变形破坏特征分析
4.4 水-力耦合作用下裂隙砂岩破坏模式分析
4.4.1 裂纹破坏类型分析
4.4.2 裂隙砂岩破坏模式分析
4.5 水-力耦合作用下裂隙砂岩变形破坏过程数值模拟研究
4.5.1 水-力耦合数值模型构建及参数设置
4.5.2 水-力耦合作用下裂隙砂岩数值模拟研究
4.6 本章小结
5 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏中渗透率演化研究
5.1 水压加载设备及方法
5.2 裂隙砂岩变形破坏过程中渗透率的演化规律
5.2.1 渗透率、应力与时间关系分析
5.2.2 不同倾角下渗透率的变化规律
5.2.3 渗透率与偏应力关系分析
5.3 裂隙砂岩变形破坏过程中渗透率演化的数值模拟研究
5.4 本章小结
6 水-力耦合作用下底板突水通道形成机制及防治措施
6.1 工程概况
6.2 工程地质与水文地质
6.2.1 工程地质特征
6.2.2 水文地质情况
6.3 水-力耦合作用下裂隙岩体渐进破坏过程理论模型
6.3.1 水-力耦合控制方程
6.3.2 渗流与损伤耦合控制方程
6.4 煤层底板渐进破坏与渗流演化数值模拟研究
6.4.1 底板突水过程数值模型构建及参数
6.4.2 不同形状裂隙对底板破裂模式与渗流场的影响
6.4.3 组合裂隙下底板渐进破裂与渗流演化模拟结果分析
6.5 煤层底板裂隙岩体突水防治建议措施
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要工作及结论
7.2 本文创新点
7.3 研究展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
本文编号：3919675
【文章页数】：223 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
1.1 选题背景
1.2 研究意义
2 文献综述与研究内容
2.1 水-力耦合作用下裂隙岩体力学特性研究
2.2 水-力耦合作用下裂隙岩体渗流特性研究
2.3 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏全过程研究
2.4 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏数值模拟研究
2.5 水-力耦合研究存在的问题
2.6 研究内容及技术路线
2.6.1 主要研究内容
2.6.2 技术路线
3 水-力耦合作用下裂隙岩体渗流特性试验研究
3.1 材料选取及物理力学特征
3.1.1 材料选取、试样加工及细观测试
3.1.2 试样孔隙度及孔径测试
3.2 试验方案、设备及步骤
3.2.1 试验方案
3.2.2 试验设备及步骤
3.3 基于福希海默方程的非线性渗流行为分析
3.3.1 裂隙砂岩非线性渗流行为分析
3.3.2 福希海默系数的参数表达式
3.4 有效评估达西定律的适用性方法
3.4.1 归一化导水系数法
3.4.2 压力梯度比法
3.4.3 体积流量比法
3.5 福希海默系数探讨及裂隙砂岩渗流特性对比分析
3.5.1 福希海默系数探讨及物理意义
3.5.2 渗流特性对比分析
3.6 水-力耦合机制分析
3.6.1 有效应力系数确定
3.6.2 渗透率与法向应力关系分析
3.7 本章小结
4 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏机制研究
4.1 试验方案、设备及步骤
4.1.1 试验方案
4.1.2 试验设备及步骤
4.2 水-力耦合作用下裂隙砂岩力学特性
4.2.1 裂隙砂岩渐进破坏应力-应变关系
4.2.2 裂隙砂岩渐进破坏阈值确定
4.2.3 强度特性分析
4.2.4 变形特性分析
4.3 基于声发射裂隙砂岩变形破坏演化规律
4.3.1 声发射监测技术及设备
4.3.2 基于声发射时序特征参数的变形破坏特征分析
4.3.3 基于声发射频域特征参数的变形破坏特征分析
4.4 水-力耦合作用下裂隙砂岩破坏模式分析
4.4.1 裂纹破坏类型分析
4.4.2 裂隙砂岩破坏模式分析
4.5 水-力耦合作用下裂隙砂岩变形破坏过程数值模拟研究
4.5.1 水-力耦合数值模型构建及参数设置
4.5.2 水-力耦合作用下裂隙砂岩数值模拟研究
4.6 本章小结
5 水-力耦合作用下裂隙岩体变形破坏中渗透率演化研究
5.1 水压加载设备及方法
5.2 裂隙砂岩变形破坏过程中渗透率的演化规律
5.2.1 渗透率、应力与时间关系分析
5.2.2 不同倾角下渗透率的变化规律
5.2.3 渗透率与偏应力关系分析
5.3 裂隙砂岩变形破坏过程中渗透率演化的数值模拟研究
5.4 本章小结
6 水-力耦合作用下底板突水通道形成机制及防治措施
6.1 工程概况
6.2 工程地质与水文地质
6.2.1 工程地质特征
6.2.2 水文地质情况
6.3 水-力耦合作用下裂隙岩体渐进破坏过程理论模型
6.3.1 水-力耦合控制方程
6.3.2 渗流与损伤耦合控制方程
6.4 煤层底板渐进破坏与渗流演化数值模拟研究
6.4.1 底板突水过程数值模型构建及参数
6.4.2 不同形状裂隙对底板破裂模式与渗流场的影响
6.4.3 组合裂隙下底板渐进破裂与渗流演化模拟结果分析
6.5 煤层底板裂隙岩体突水防治建议措施
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要工作及结论
7.2 本文创新点
7.3 研究展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
本文编号：3919675
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