采動岩體裂隙時空演化及滲流災變基礎研究

《采動岩體裂隙時空演化及滲流災變基礎研究》是依託山東科技大學，由尹立明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：采動岩體裂隙時空演化及滲流災變基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：尹立明
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

本項目緊緊圍繞采動岩體裂隙擴展演化及滲流災變這一科學問題，著力研究采動岩體裂隙滲流突變突水的成災機理。利用岩石應力-滲流耦合真三軸試驗系統，對大尺寸岩樣的裂隙時空演化過程進行精確定位和追蹤，研究三維應力和滲透水壓變化對滲流特性的影響，並結合數值模擬和突水相似材料模擬，分析采場突水形成過程中流態災變的演化特徵及突水的瞬時突發和延遲特性。基於礦井底板突水的突變理論，建立底板突水突變模型，結合現場勘驗，獲得時間尺度下的礦井底板突變突水判據。在此基礎上，基於多場耦合理論，建立斷裂節理網路產生與岩體應力-滲流耦合動力系統失穩之間的關係，獲得應力-滲流耦合效應及其演化對採礦活動的回響規律，揭示采動岩體應力-滲流耦合效應對岩體結構穩定性劣化而導致滲流災變突水的影響機理，進而提出采場災變突水機理研究的新認知，對保障礦井煤炭的安全生產具有重要的理論意義和套用價值。

結題摘要

采動岩體裂隙時空演化規律及突水通道形成過程和滲流突變成災機理是礦井突水災害防治的關鍵性問題之一，研究成果可為礦井工程的設計、計算和安全生產奠定更加可靠合理的基礎。項目研究按照研究計畫和研究目標，緊緊圍繞采動岩體裂隙擴展演化及滲流災變這一科學問題，通過MTS815.03岩石伺服實驗，獲得變形引起的裂隙和孔隙變化是引起岩石試件滲透率變化的根本原因，岩石的滲透特性與岩石的岩性和所處環境的圍壓密切相關。基於礦井底板突水的突變理論，將固有導水通道和完整隔水層突水兩種模式的內在機理用尖點突變模型來描述，建立了底板突水平衡曲面的方程、通過坐標變換獲得分支曲線方程，得到了平衡曲面與分支曲線。將隱伏構造突水模式的內在機理用蝴蝶突變模型來描述，獲得了隱伏構造型突水模式的勢函式的標準形式、平衡曲面的標準方程和控制平面內的分支曲線方程。基於Comsol Multiphysics多物理場耦合分析軟體，建立了含水層-斷層-工作面三個階段的斷層導通前後達西-非達西-自由流動方程，獲得應力-水壓力作用下斷層水突出及流動機理。通過應力滲流耦合真三軸試驗，建立了考慮節理粗糙的單一裂隙滲透係數方程。試驗表明：三維應力都對裂隙的滲透起抑制作用，其中裂隙法向應力對裂隙滲透的影響非常明顯，起主導作用。隨著三維應力的增加，岩樣的滲透係數逐漸減小，說明應力的增加使裂隙逐漸閉合，摩擦阻力增大。通過對滲透係數的試驗數據進行擬合，得到了滲透係數隨三維應力和滲透水壓變化的公式。研製了新型固流耦合相似材料，通過相似材料模擬試驗，直觀地展現了含隱伏斷層底板在采動應力擾動和高承壓水共同作用下底板裂隙形成、隱伏斷層擴展、突水通道貫通的全過程，獲得了采動底板及隱伏小斷層裂隙發育擴展演化規律。結合對現場采動岩體破壞範圍實測數據分析，進而提出了采場底板高承壓水致災的相關措施，研究成果對保障礦井煤炭的安全生產具有一定的理論意義和套用價值。