煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测

矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区,基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性,对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正,提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验,结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型,分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律,并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响,应力场及渗透性发生改变,且渗流场的扰动范围与应力场相比较大,渗透性的变化在不同方向上具有差异性,渗透系数在水平方向上的影响范围小,变化量大。在垂向上的影响范围大,但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现,试验模型分层位间距为l_1=10 m,l_2=30 m,l_3=150 m及隙宽组合■时,较为符合研究区实际工程情况。最后,基于离散元软件裂隙渗流模型,结合模型间距及隙宽组合形式,对裂隙应力-渗流耦合计算模型的可靠性进行探讨,模拟结果与裂隙应力-渗流耦合模型计算的结果基本一致。     

基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究

原地直接测定裂隙岩体的弹性模量E_m,由于各种原因,在工程实践中往往有一定的困难。作为一种替代方法,通常人们利用实验室测得的岩石弹性模量E来确定裂隙岩体弹性模量E_m。提出的耦合应变渗流模型,建立了裂隙岩体中裂隙与岩块在应力作用下的变形协调和应力平衡关系,通过考虑裂隙岩体中地下开挖体涌水量大小可直接反映裂隙的贯通情况和密度大小这一事实,用地下开挖体涌水量大小和岩体弹性模量折减系数E_m来计算岩体弹性模量。为计算岩体弹性模量提出了一个可能的新途经。 该模型的结果与实际数据吻合良好。     

正应力作用下北山花岗岩单裂隙几何特征对辐射流渗流行为的影响研究

岩体裂隙中的地下水渗流可能会导致采掘过程中围岩突水或支护失效。为研究北山花岗岩裂隙渗流行为,采用MTS815岩石力学试验系统开展了单裂隙辐射流渗流试验研究,获得了不同正应力条件下裂隙流量的变化规律,分析了裂隙几何特征对其渗流特性的影响。随后采用变异函数对裂隙空隙三维分布特征进行量化表征,建立了考虑裂隙空隙三维分布特征和接触率为影响因素的辐射流等效水力隙宽计算模型(CA模型)。研究结果表明:裂隙空隙三维分布特征可由三维分布系数(CA)表征,CA值越大,裂隙空隙的分布越不均匀;CA模型可定量表征裂隙等效水力隙宽与裂隙力学隙宽、接触率和空隙三维分布系数之间的函数关系。试验数据与模型计算结果具有较好的一致性,验证了CA模型的合理有效性。     

裂隙几何特征及围压对岩体渗透特性的影响

裂隙岩体中不同产状、迹长、裂隙密度等几何特征以及所处应力坏境,使岩体渗透特性存在客观各向异性。利用裂隙几何特征生成裂隙网络模型,基于RFPA~(2D)-Flow软件模拟计算不同尺寸、不同方向上等效渗透系数,探讨裂隙的密度、倾角、迹长以及围压对岩体的渗透主值、渗透张量的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对渗透主值有影响,但对渗透主方向无影响,随密度或者迹长的增大,渗透主值增大;②裂隙倾角对渗透主值影响较小,对渗透主方向有直接影响,渗透主方向近似位于2组裂隙夹角的平分线上;③随着围压增大,渗透主值逐渐减小;④等压条件下,围压对渗透主方向无影响,不等压条件下,渗透主方向随着围压的变化而变化。     

采空区底板运移规律及渗流-应力耦合数值模拟

基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合平台,通过对采空区底板运移规律及承压水上采煤进行渗流-应力耦合数值模拟,分析了开挖过程中煤层底板的应力变化、塑性破坏深度、渗透率变化等,得出了采空区底板裂隙发育及渗透特性变化规律,导水裂隙形成过程。     

变隙宽裂隙的渗流分析

以隙宽均一单裂隙水流的立方定律及流体力学的基本方程为基础,对隙宽不均一单裂隙渗流模型进行了分析,得出了隙宽不均一单裂隙渗流量等效的等效隙宽公路;并将此公式应用于岩体裂隙网络渗透模型分析中,检验了等效隙宽公式的有效性。     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

非均匀、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合模型

利用Mento Catlo 模拟技术模拟基质岩块的非均质力学特性,生成岩体内的随机裂隙网络,建立了非均质、随机裂隙展布岩体生成模型,并开发了相应的程序HRFRGM.在岩体力学试验和工程地质调查基础上,利用HRFRGM生成与实际岩体工程特性相近的虚拟岩体.将其与渗流应力耦合计算程序Coupling Analysis结合,建立了非均质、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合计算模型.研究了岩体非均质和随机裂隙网络对瓦斯抽放的影响.结果表明,提出的非均质、随机裂隙展布岩体生成模型能较好地模拟岩体的非均质性和随机裂隙展布.     

浅埋煤层地下水库流固耦合模型特征参数试验研究

煤层采动引起的岩体运移、裂隙演化与渗流特性对煤矿地下水库的设计建造具有重要影响,为获取地下水库围岩体物理特征参数,开展相似材料流固耦合模型试验研究,结合典型浅埋煤层水文地质及开采条件,建立了立体相似材料流固耦合模型。通过监测煤层开挖过程中顶板下沉量、煤柱应力、含水层渗压等特征参数的变化,研究了煤层采动过程中破断岩体运移、裂隙演化规律及扰动岩层渗流特性变化规律。试验结果表明:煤层开挖后,煤柱上覆岩层形成倒台阶结构,煤柱应力先增大后减小。顶板岩层先后经历"弯曲下沉—裂隙发育—破断垮落"的动态演化过程,岩层裂隙发育程度决定了形成的导水裂隙带数量,可用岩层渗压下降速率表征岩层裂隙发育程度。岩层大面积垮冒滞后于导水裂隙带形成,含水层渗压突变先于岩层突降下沉发生,可将含水层渗压突降作为顶板来压垮冒的预兆之一。     

爆破荷载下近断层巷道稳定性研究

为研究爆破荷载对近断层巷道突水以及稳定性的影响，以屯留煤矿回风大巷为背景，采用FLAC3D对不同爆破荷载作用下近断层巷道的应力、位移、涌水量以及塑性区分布特征进行了数值模拟分析。研究结果表明：①爆炸荷载作用下近断层巷道顶板、底板、两帮以及开挖面的最大位移要比不考虑爆破荷载时分别大约5%～12%、12%～14%、89%～143%、33%～61%|②爆炸荷载作用下巷道在开挖面距断层破碎带等于7m时，巷道前方岩体塑性区就会与断层破碎带贯通形成导水裂隙通道，此时，开挖面涌水量会随开挖面距断层距离减小而逐渐增大，且增大速率越来越快|③随着爆炸峰值应力的增大，近断层巷道周边岩体最大位移、塑性区破坏深度分别呈指数递增式和指数衰减式增长|同时，巷道开挖面涌水量随开挖面推进表现出的“渐进增长”特征也会越加明显|④相同爆炸峰值时间下，巷道与断层破碎带之间水力通道被打通的时间节点大体一致，但爆炸峰值时间越大，相同进尺下巷道开挖面的涌水量也将越大。     

Evaluation of the 2-D permeability tensor for fractured rock masses

An approach is established to evaluate the 2-D permeability tensor of naturally fractured rock masses by using modified UDEC 5. Based on the superposition principle, directional flow-rates through a unit square of fractured rock under head gradients in two orthogonal directions can be calculated with UDEC. Then the flow-rates are transformed into flow-rates through a field rock mass for evaluating the permeability tensor. Two kinds of fractured rock models, fixed hydraulic fracture aperture and variable hydraulic fracture aperture under stress, were studied by using this approach. For the first model, the permeability tensor of a fractured rock mass only depends upon the statistical features of fracture pattern geometry, including orientation, trace length, density of fractures. For the second model, the permeability tensor strongly depends upon both the geometry of the fracture pattern and the applied stress, such as the direction and magnitude of principal stress as well as the ratio of major principal stress to minor principal stress.     

应力恢复对采动裂隙岩体渗透性演化的影响

研究了采动岩体应力恢复对断裂带渗透性的影响并将其应用于分层开采和残煤复采导水断裂带的计算。通过试验对侧限作用下裂隙岩体在轴向分级加载条件下渗流变化规律进行了研究,以模拟应力恢复作用对裂隙岩体渗透性的影响;依据实测的采动裂隙岩体体积膨胀系数的对数分布规律,对采动裂隙岩体渗透性分布规律进行了描述,计算了应力恢复作用下,裂隙岩体内裂隙开度及渗透性演化规律。试验结果表明:轴向加载条件下裂隙模块开度及渗透性均显著下降,加载初期应力较小但其对裂隙模块的开度及渗透性影响更显著,后期应力增大但其对裂隙试块的渗透性影响程度降低,在20 MPa压力作用下裂隙很难完全闭合;理论计算结果表明:应力恢复作用下采空区上覆裂隙岩体内下部大开度裂隙渗透性有降低但仍为较好的导水通道,上部裂隙开度较小层段渗透性也有明显降低。根据水利水电工程地质勘查规范将渗透系数小于0.01 m/d的层段视为不透水层,采空区上覆导水断裂带最大高度在应力恢复后较初始实测最大值减小了约26%。依据研究结果对传统的分层开采覆岩导水断裂带高度计算公式进行了修正,采用修正公式计算下分层煤或残煤开采防水(砂)煤柱的留设方案更为合理。     

原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大,但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道,一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景,利用先进的地球物理成像真三轴测试系统,开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究,探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制,研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明：首先,裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加,压缩波速度明显大于剪切波速度;纵横波速比随有效应力增大而单调减小,表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比,发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次,原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构（裂缝）敏感性,早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响,渗透率各向异性随裂缝倾角...     

Effects of the axial in situ stresses on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel

A new non-Euclidean model in which effects of the axial in-situ stress with arbitrary value on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel is taken into account is established. The total elastic stress-field distributions of the surrounding rock around a deep circular tunnel including effects of the axial in-situ stress were given out. The strength criterion of the deep rock masses is applied to determine the occurrence of disintegration zones. The numerical computation was carried out. It is found from numerical results that number and size of fractured and nonfractured zones are sensitive to the axial in-situ stress, tangential, radial and axial normal stress, the intermediate principal stress coefficient and the rock mass rating classification RMR.     

白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测

根据静兴高速公路白龙山隧道区域应力场特征,建立三维地质模型,采取有限元数值模拟的方法分析研究工程区的初始地应力场分布规律。通过分析隧道轴线方向上的地应力场特征,发现隧道区初始地应力场以构造应力为主导,区内存在较高地应力场,长度约为3150m。最后,根据地应力资料对高地应力区隧道开挖阶段进行岩爆预测,结果表明隧道计算段岩爆等级为弱岩爆~中等岩爆。     

应变软化挤压岩体巷道扩挖力学响应研究

针对深部高应力软弱破碎岩体巷道变形侵限及重复返修维护的问题,基于有限变形理论和Lagrange物质观点,建立了考虑岩体峰后行为的大变形巷道重塑扩挖力学模型,实现了重复开挖扰动引起围岩累积劣化的定量表征,依次分析了不同岩体条件下维持巷道净断面所需的最小刚性支护载荷和返修效率,同时对实际工程中超前导洞施工法用于释放主洞围岩压力和挤压势的有效性进行了探讨。研究结果表明:①巷道的重塑扩挖是控制挤压变形的有利方式,能显著降低岩石压力和作用在支护结构上的载荷,并得到了基于洞壁收敛位移的巷道稳定性图表;②重塑扩挖施工需事先尽量释放初次开挖产生的应力和变形能,以提高巷道的返修效率;③超前导洞施工法对于降低主洞洞壁变形以及释放围岩压力的有效性与其开挖尺寸和岩体峰后本构关系密切相关,当导洞半径较大(至少超过0.3~0.5倍主洞设计尺寸)及岩体呈现出应变软化或理想塑性特征时,超前导洞施工法能有效改善主洞附近的围岩应力条件,降低挤压势和洞壁收敛变形。     

内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

裂隙岩体渗透特征的研究

采用力学理论研究了裂隙岩体渗透系数随埋深及水压力的变化规律，得出渗透系怀埋深水及水压力的关系式。另外，将裂隙岩体介质假设为互相平行的几组裂隙网络，提出了应力与渗流的耦合模型，得出了裂隙岩体与三向应力的关系式。     

隧道地应力测量与岩爆预测分析

本文基于解南高速公路某隧道实测地应力数据研究隧址区初始地应力场分布规律,结果表明隧道区初始地应力场以构造应力为主导。根据实测地应力资料对高地应力区隧道开挖阶段进行岩爆预测,结果显示该区为中等岩爆等级。