基于顆粒流的弱膠結(jié)裂隙巖體水沙兩相流特性研究.pdf

1、我國(guó)西部地區(qū)煤炭資源十分豐富，占我國(guó)煤炭資源預(yù)測(cè)總量的近80％，但該地區(qū)淺埋煤層上覆為弱膠結(jié)巖層和松散含水層，采掘過程中極易發(fā)生水沙災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。因此，開展對(duì)裂隙巖體水沙兩相流規(guī)律的研究對(duì)西部煤炭安全開采有著重要的理論和工程實(shí)際意義。
　　本文主要通過格子 Boltzmann方法和多相流理論對(duì)裂隙巖體水沙兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行理論分析，并利用顆粒流軟件對(duì)裂隙巖體的力學(xué)特性、堆積沙粒的起動(dòng)規(guī)律、潰沙流動(dòng)規(guī)律以及上覆厚松散沙

2、層開采造成的頂板垮落進(jìn)行數(shù)值模擬分析。主要研究工作如下：
　?。?）顆粒流模擬參數(shù)與宏觀參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系研究。通過數(shù)值模擬不同細(xì)觀參數(shù)模型的宏觀響應(yīng)，分析了接觸剛度、粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、孔隙比、剛度比以及粘滯系數(shù)等微觀參數(shù)對(duì)宏觀力學(xué)行為的影響；標(biāo)定了接觸剛度、粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和粘滯系數(shù)等與裂隙巖體水沙兩相流動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。
　?。?）弱膠結(jié)裂隙巖體結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特性分析。從微觀角度分析了弱膠結(jié)巖石的組成成分以及膠結(jié)程度；基于顆粒

3、流方法分別建立完整巖石和裂隙巖石數(shù)值模型，分析了完整巖石和裂隙巖石的抗拉、抗壓等強(qiáng)度特性和變形特性；建立了弱膠結(jié)巖石的力學(xué)本構(gòu)方程。研究表明，裂隙的存在對(duì)破壞面的形態(tài)和破壞面位置都有重要影響，裂隙的存在使得巖體峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和初始彈性模量等力學(xué)參數(shù)減小，降低了巖石力學(xué)性能。
　　（3）建立裂隙巖體水沙兩相流動(dòng)的格子 Boltzmann模型。基于格子Boltzmann方法推導(dǎo)了水沙兩相的基本守恒方程；建立水沙兩相流動(dòng)系統(tǒng)的控制方

4、程；基于浸入邊界法，利用歐拉點(diǎn)和拉格朗日點(diǎn)處理水沙兩相界面；基于離散元方法得到了顆粒碰撞力學(xué)模型。
　　（4）裂隙巖體水沙兩相顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。理論分析了沙粒堆積體在水流作用下的起動(dòng)流速，并得到沙粒起動(dòng)流速判別式；數(shù)值模擬沙粒起動(dòng)，得到沙粒堆積體在起動(dòng)過程為分層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；數(shù)值模擬裂隙潰沙，分析了沙粒進(jìn)入裂隙前后的流動(dòng)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)沙粒在進(jìn)入裂隙前呈現(xiàn)出的漏斗狀形態(tài)，沙粒進(jìn)入裂隙后，在裂隙內(nèi)做“S”型曲線運(yùn)動(dòng)；建立上覆厚松散沙層礦井開