渗压作用下断层带岩体断裂导渗演化机制研究

论文摘要

随着矿产资源开发不断向深部迈进,突水灾害已成为威胁矿井安全生产的最主要灾害之一,断层带突水是其主要表现形式。研究渗压作用下断层带岩体的断裂导渗演化机制,对于深入揭示断层带突水机理和前兆规律,实现矿井突水灾害的超前预测预警具有十分重要的理论与工程意义。为此,本文以山东黄金集团三山岛金矿主要导水断裂构造F3断层为背景,首先,从岩体结构控制的角度将断层带划分为诱导裂隙带和滑动破碎带两部分;然后,综合运用理论分析、现场调查、室内试验和数值模拟等方法,针对渗压作用下断层诱导裂隙带岩体和滑动破碎带土石混合体的断裂破坏机制及渗流演化规律进行了深入研究,主要内容如下:（1）基于夹杂理论,对渗压作用下裂隙岩体进行受力分析,建立了裂隙内附加水压力计算式,推导了考虑附加水压力影响的裂隙岩体断裂强度计算式;然后,通过对含不同倾角单裂隙和多条裂隙岩体开展室内岩石力学试验和数值模拟试验研究,分析了渗压作用下裂隙岩体的断裂破坏规律,证明了理论推导裂隙岩体断裂强度时考虑附加水压力影响的合理性和正确性。（2）重点考虑影响贯通充填裂隙渗流特性的两个基本几何参数,即粗糙度和隙宽,结合3D打印技术,通过对含不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙岩体开展渗透性试验,分析了围压、粗糙度和隙宽对贯通充填裂隙渗透性的影响机制,建立了贯通充填裂隙渗透率与围压之间的函数关系式。同时,通过对含两组不同形式贯通充填裂隙岩体开展数值模拟研究,揭示了含多条贯通充填裂隙岩体的渗透性演化规律。（3）利用自行设计的流-固耦合小尺度试验装置,对断层滑动破碎带不同含石率土石混合体试样开展多组无围压和围压加、卸载条件下的渗透性试验,单轴应力-渗流和三轴应力-渗流耦合加载试验,并结合CT实时扫描,分别建立了渗压、围压和轴向荷载与不同含石率土石混合体试样渗透系数之间的函数关系式,揭示了断层滑动破碎带土石混合体的开裂导渗演化规律。（4）自行设计了一套能够实现三维不等应力-渗流耦合加载的断层滑动破碎带渗流演化大尺度试验平台,通过在不同充填物配比、不同充填厚度、不同渗压和不同围压条件下开展试验研究,分析了应力-渗流耦合作用下断层滑动破碎带内充填物颗粒的迁移流失特征,揭示了滑动破碎带内突水通道的形成机制。

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致谢

摘要

Abstract

1 引言

2 绪论

2.1 研究背景及意义

2.2 文献综述

2.2.1 断层带岩体结构研究

2.2.2 裂隙岩体断裂破坏研究

2.2.3 裂隙岩体渗流特性试验研究

2.2.4 断层带突水演化机制研究

2.3 问题提出

2.4 研究内容及技术路线

2.4.1 研究内容

2.4.2 技术路线

3 渗压作用下诱导裂隙带岩体断裂破坏机制研究

3.1 渗压作用下单裂隙岩体断裂破坏过程理论推导

3.1.1 基于夹杂理论的裂隙岩体流-固耦合受力分析

3.1.2 岩体Ⅰ-Ⅱ复合型裂隙断裂强度推导

3.2 渗压作用下单裂隙岩体断裂破坏过程试验研究

3.2.1 裂隙岩体物理力学参数确定

3.2.2 裂隙岩体应力-渗流耦合加载试验研究

3.2.3 数值模拟试验研究

3.3 渗压作用下含多条裂隙岩体断裂破坏过程数值模拟研究

3.3.1 含多条平行裂隙岩体数值模拟研究

3.3.2 含多条非平行裂隙岩体数值模拟研究

3.4 本章小结

4 渗压作用下含贯通充填裂隙岩体导渗演化机制研究

4.1 渗压作用下含贯通充填裂隙岩体渗透性理论分析

4.1.1 裂隙粗糙度表征分析

4.1.2 单条贯通充填裂隙渗透性理论推导

4.1.3 含贯通充填裂隙岩体渗透性理论分析

4.2 渗压作用下单贯通充填裂隙渗透性试验研究

4.2.1 含不同粗糙度和隙宽单贯通充填裂隙试件制作

4.2.2 试验方法及原理

4.2.3 试验结果及分析

4.3 渗压作用下含多条贯通充填裂隙岩体渗透性数值模拟研究

4.3.1 含多条贯通充填裂隙岩体渗流模型

4.3.2 含多条不同粗糙度贯通充填裂隙岩体数值模拟研究

4.3.3 含多条不同隙宽贯通充填裂隙岩体数值模拟研究

4.3.4 含复杂贯通充填裂隙岩体数值模拟研究

4.4 本章小结

5 渗压作用下滑动破碎带土石混合体开裂导渗试验研究

5.1 滑动破碎带土石混合体物理性质试验研究

5.2 渗压作用下不同含石率土石混合体渗透性试验研究

5.2.1 试验土石混合体试样制备

5.2.2 试验仪器及方案

5.2.3 无围压条件下渗透性试验结果及分析

5.2.4 加、卸载围压条件下渗透性试验结果及分析

5.3 渗压作用下不同含石率土石混合体开裂破坏试验研究

5.3.1 试验仪器及方案

5.3.2 单轴应力-渗流耦合加载试验结果及分析

5.3.3 三轴应力-渗流耦合加载试验结果及分析

5.4 本章小结

6 渗压作用下滑动破碎带突水通道形成及演化机制研究

6.1 相似理论

6.2 滑动破碎带导渗演化相似模型试验

6.2.1 试验模型设计

6.2.2 试样制备及试验方案

6.2.3 试验结果及分析

6.3 本章小结

7 结论和创新点

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

作者简历及在学研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王鹏飞

导师: 李长洪

关键词: 渗压,裂隙岩体,土石混合体,渗透系数,断裂导渗演化机制

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京科技大学

基金: “十三五”国家重点研发计划项目(2017YFC0804103:矿井水害智能监测预警技术与装备),山东黄金集团相关科研项目

分类号: TU45

DOI: 10.26945/d.cnki.gbjku.2019.000003

总页数: 152

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