巖體水壓致裂機(jī)理研究及在礦山突水中的應(yīng)用.pdf

1、在巖石力學(xué)中，“水壓致裂”是指在密封裸孔中注入壓力水，使巖石發(fā)生張性破裂，巖石的水壓致裂過(guò)程實(shí)際上就是巖石在水壓作用下微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，直到最后宏觀(guān)裂紋產(chǎn)生導(dǎo)致失穩(wěn)破裂的過(guò)程。
　　在采礦工程、地下隧道工程等巖石工程中，普遍存在巖體地應(yīng)力、地下水滲透力之間相互影響、相互作用和耦合作用問(wèn)題。尤其是煤礦突水、隧道圍巖涌水等巖體滲流破壞失穩(wěn)問(wèn)題都涉及到水壓致裂的基本原理?？梢?jiàn)，無(wú)論是對(duì)現(xiàn)行滲流破壞問(wèn)題的解決，還是對(duì)巖體水壓致裂理論

2、的研究都具有重大的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，也是許多工程學(xué)科面臨的前沿課題。
　　開(kāi)挖擾動(dòng)必然造成地下巖體應(yīng)力場(chǎng)的重新分布和巖體的破裂損傷，這種損傷極大地改變了圍巖的滲透性，當(dāng)圍巖附近存在高水壓含水層時(shí)，導(dǎo)致頂板、斷層帶或底板破壞突水并造成安全事故，為礦井生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。礦井突水和水壓致裂具有相似的力學(xué)機(jī)理，都是應(yīng)力-滲流-損傷共同作用誘發(fā)巖體破壞的結(jié)果。
　　本文從流固耦合角度出發(fā)，應(yīng)用物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法深入研究

3、了水壓力驅(qū)使裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的啟裂機(jī)制，并用于采礦底板突水等工程問(wèn)題，揭示采動(dòng)巖體破壞突水過(guò)程的作用機(jī)制，在此基礎(chǔ)上引入有效應(yīng)力概念修正了傳統(tǒng)的突水系數(shù)計(jì)算方法，具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。主要工作歸結(jié)為以下幾個(gè)方面:
　　1.從流固耦合理論出發(fā)，重點(diǎn)討論有效應(yīng)力系數(shù)對(duì)水壓致裂起裂壓力的影響，提出了考慮有效應(yīng)力作用下水壓致裂起裂機(jī)理的理論公式。并通過(guò)水壓致裂實(shí)驗(yàn)研究，以小尺度的水泥砂漿人工試件為研究對(duì)象，驗(yàn)證理論公式的正確性。

4、r>　　2.應(yīng)用RFPA2D-flow軟件和RFPA3D并行程序，分別建立水壓致裂二維和三維模型進(jìn)行模擬仿真研究，分析不同參數(shù)條件對(duì)水壓致裂起裂條件和裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。通過(guò)研究將有效應(yīng)力系數(shù)對(duì)試件起裂和失穩(wěn)壓力的影響進(jìn)行量化，全面分析有效應(yīng)力系數(shù)對(duì)水壓致裂機(jī)理的影響規(guī)律及裂紋空間展布規(guī)律。
　　3.針對(duì)范各莊煤礦突水實(shí)例，從工程背景出發(fā)，研究分析范各莊礦5＃煤層頂板和12＃煤層底板巖層在開(kāi)采擾動(dòng)條件下，裂隙形成、擴(kuò)展破斷直至突水

5、通道最終貫通形成突水的全過(guò)程。通過(guò)對(duì)損傷區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的分布及演化規(guī)律的分析，揭示開(kāi)采擾動(dòng)及水壓驅(qū)動(dòng)下完整泥巖底板由隔水巖層到突水通道的演化過(guò)程，對(duì)突水通道進(jìn)行了模擬定位，并對(duì)不同水壓條件下含水砂巖層對(duì)底板突水的影響進(jìn)行分析
　　4.針對(duì)有效應(yīng)力原理中有效應(yīng)力系數(shù)變化在巖體損傷破壞突水中的物理意義進(jìn)行研究討論，深入剖析影響煤層底板破壞突水的因素，引入有效應(yīng)力系數(shù)的概念對(duì)傳統(tǒng)的突水系數(shù)法進(jìn)行修正，根據(jù)礦井底板不同的滲透特性，提出