應力作用下破碎岩體非Darcy滲流實驗及采動突水滲流模型

《應力作用下破碎岩體非Darcy滲流實驗及采動突水滲流模型》是依託東北大學，由楊天鴻擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：應力作用下破碎岩體非Darcy滲流實驗及采動突水滲流模型
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊天鴻
• 依託單位：東北大學

中文摘要

從礦山采動岩體滲流突水三要素（含水層水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和開採擾動作用）這一滲流特徵出發，首先，利用自主研發的圍壓和軸壓動態控制的非Darcy滲流實驗系統，進行破碎岩體非Darcy滲流研究，建立複雜應力路徑下破碎岩體滲透率、非Darcy因子、孔隙率與應力的關係方程，探索不同加卸載條件下非Darcy滲流參數相互作用機理及滲流突變臨界條件。同時，建立耦合Darcy方程、Forchheimer方程、Navier-Stokes方程和應力與滲流參數關係方程的采動突水滲流模型，提出有限元弱形式和有限體積法結合的數值計算方法，並與滲流實驗結果對比驗證。最後，依託工程實例，模擬反演采動應力動態條件下含水層、采動破碎岩體和巷道整個水流路徑中突水瞬態流動全過程，揭示采動條件下應力遷移過程破碎岩體滲流演化規律並提出滲流突水失穩判據，為採礦推進過程預測和防治突水災害提供理論依據和計算方法。

結題摘要

從礦山采動岩體滲流突水三要素（含水層水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和開採擾動作用）這一滲流特徵出發，自主研發了一維水沙高速滲流試驗系統與平面水力輸沙試驗系統，並開展了不同條件下破碎岩體，以及考慮顆粒流失充填裂隙網路的滲流試驗，進而建立了複雜應力路徑條件下破碎岩體滲透率、非Darcy因子、孔隙率與應力之間的關係方程。同時，基於流體質量守恆、壓力平衡原理和Forchheimer方程，建立了突水流體非線性滲流模型，並藉助有限元弱形式和有限體積法耦合積分方程的FELAC流體力學分析工具實現了耦合數值計算，與實驗結果較為符合。依託中關鐵礦、姜家灣煤礦、基安達煤礦等實際突水案例，對不同條件下水流路徑中突水瞬態流動的全過程進行了模擬計算，揭示了采動條件下應力遷移過程破碎岩體滲流演化規律，並提出了滲流突水失穩判據。研究成果共發表學術論文42篇，其中SCI收錄20篇，EI收錄17篇；授權相關專利7項，其中發明專利4項。補充研究成果在研山鐵礦、中關鐵礦、小紀汗煤礦等礦山突水分析及防治工程實踐中得到套用，獲科研成果特等獎、一等獎、二等獎各1項，可為礦山開採過程中突水災害的預測與防治提供理論依據和計算方法。