巖體水壓致裂機理研究及在礦山突水中的應用.pdf

1、在巖石力學中，“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，巖石的水壓致裂過程實際上就是巖石在水壓作用下微裂紋萌生、擴展、貫通，直到最后宏觀裂紋產生導致失穩(wěn)破裂的過程。
　　在采礦工程、地下隧道工程等巖石工程中，普遍存在巖體地應力、地下水滲透力之間相互影響、相互作用和耦合作用問題。尤其是煤礦突水、隧道圍巖涌水等巖體滲流破壞失穩(wěn)問題都涉及到水壓致裂的基本原理?？梢?，無論是對現行滲流破壞問題的解決，還是對巖體水壓致裂理論

2、的研究都具有重大的科學意義和實用價值，也是許多工程學科面臨的前沿課題。
　　開挖擾動必然造成地下巖體應力場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，當圍巖附近存在高水壓含水層時，導致頂板、斷層帶或底板破壞突水并造成安全事故，為礦井生產的五大災害之一。礦井突水和水壓致裂具有相似的力學機理，都是應力-滲流-損傷共同作用誘發(fā)巖體破壞的結果。
　　本文從流固耦合角度出發(fā)，應用物理試驗和數值模擬相結合的方法深入研究

3、了水壓力驅使裂紋擴展過程中的啟裂機制，并用于采礦底板突水等工程問題，揭示采動巖體破壞突水過程的作用機制，在此基礎上引入有效應力概念修正了傳統(tǒng)的突水系數計算方法，具有一定的理論和實際應用價值。主要工作歸結為以下幾個方面:
　　1.從流固耦合理論出發(fā)，重點討論有效應力系數對水壓致裂起裂壓力的影響，提出了考慮有效應力作用下水壓致裂起裂機理的理論公式。并通過水壓致裂實驗研究，以小尺度的水泥砂漿人工試件為研究對象，驗證理論公式的正確性。

4、r>　　2.應用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行模擬仿真研究，分析不同參數條件對水壓致裂起裂條件和裂紋擴展的影響規(guī)律。通過研究將有效應力系數對試件起裂和失穩(wěn)壓力的影響進行量化，全面分析有效應力系數對水壓致裂機理的影響規(guī)律及裂紋空間展布規(guī)律。
　　3.針對范各莊煤礦突水實例，從工程背景出發(fā)，研究分析范各莊礦5＃煤層頂板和12＃煤層底板巖層在開采擾動條件下，裂隙形成、擴展破斷直至突水

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