發(fā)布時間：2018-06-30 09:25

  本文選題：滲流-應(yīng)力耦合 + 微裂紋損傷　； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：工程擾動作用誘發(fā)的巖體內(nèi)部損傷和破裂及其造成的巖體滲流場改變是導(dǎo)致大規(guī)模巖體工程失穩(wěn)和地質(zhì)災(zāi)害的重要原因之一。在采礦工程中，采動礦壓和煤層底板承壓水壓聯(lián)合作用引發(fā)的底板突水災(zāi)害一直是威脅我國煤礦安全生產(chǎn)的重大問題之一。本文以煤層底板突水災(zāi)害為研究背景，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場微震監(jiān)測相結(jié)合的方法，對滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石損傷破裂演化過程以及煤層底板突水機(jī)理進(jìn)行了深入、系統(tǒng)地研究，取得了如下創(chuàng)新性成果： (1)克服了經(jīng)典的Biot孔隙彈性理論無法描述巖石介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷演化的局限，將微裂紋損傷張量引入到Biot孔隙彈性理論中，構(gòu)建了基于微裂紋演化的巖石滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型，，導(dǎo)出了應(yīng)力誘導(dǎo)的微裂紋瞬時擴(kuò)展和時間相關(guān)的微裂紋亞臨界擴(kuò)展的演化方程，建立了微裂紋損傷演化與巖石宏觀彈性剛度張量、滲透張量、Biot有效應(yīng)力系數(shù)張量、Biot模量以及聲發(fā)射特征參數(shù)之間的聯(lián)系。結(jié)合單個巖石REV分別承受滲流-應(yīng)力耦合短期和長期作用的兩個算例，驗(yàn)證了耦合模型在描述細(xì)觀損傷引起的巖石宏觀各向異性、峰前非線性強(qiáng)化、體積膨脹、聲發(fā)射活動、滲透率演化以及蠕變行為方面的普適性和有效性。 (2)提出了以細(xì)觀單元組合和嵌在其中的隨機(jī)分布微裂紋群來表征真實(shí)巖石介質(zhì)的雙尺度概念模型，據(jù)此將已建立的巖石滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型與宏觀有限元模型有機(jī)結(jié)合，同時引入巖石介質(zhì)的細(xì)觀非均勻性、細(xì)觀單元破裂準(zhǔn)則以及破裂細(xì)觀單元的剛度退化表征方法，建立了滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石損傷破裂演化的宏-細(xì)觀雙尺度數(shù)值模型，從根本上克服了傳統(tǒng)巖石破裂過程數(shù)值分析模型中采用唯象估計(jì)方法的固有缺陷。將該模型應(yīng)用于巖石雙軸壓縮-滲流耦合、巖石蠕變-滲流耦合以及巖石水力壓裂等數(shù)值試驗(yàn)中，結(jié)果表明該模型能夠以一種物理真實(shí)、可視化的方式有效地模擬出滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石從細(xì)觀損傷演化至宏觀破裂的全過程以及滲流動態(tài)演化規(guī)律。 (3)基于建立的宏-細(xì)觀數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了承壓水體上完整煤層底板和含陷落柱煤層底板的破壞突水過程，分析了工作面推進(jìn)過程、頂板破斷垮落壓實(shí)作用、底板巖體非均質(zhì)性、底板承壓含水層水壓力、時間效應(yīng)等因素對底板隔水層損傷破裂和滲透性演化以及底板陷落柱損傷活化規(guī)律的影響，深入揭示了采動應(yīng)力和承壓水壓力聯(lián)合作用下底板“突水通道”形成與滲流突變機(jī)理，為我國承壓水體上煤炭安全開采和煤層底板突水防治提供了參考依據(jù)。 (4)采用高精度微震監(jiān)測技術(shù)對某帶壓開采工作面回采過程中底板破裂的微震事件與微震能量強(qiáng)度進(jìn)行了連續(xù)、動態(tài)地監(jiān)測，并結(jié)合建立的宏-細(xì)觀數(shù)值模型對該工作面煤層底板的破裂演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，準(zhǔn)確地查明了底板采動破壞帶的具體位置與參數(shù)，成功地指導(dǎo)了該帶壓開采工作面的安全高效生產(chǎn)；據(jù)此提出了將高性能微震監(jiān)測技術(shù)和本文開發(fā)的巖石破裂過程數(shù)值模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)煤層底板突水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的新方法，具有良好的工程應(yīng)用前景。
[Abstract]:In this paper , based on the research background of coal seam floor water inrush disaster , combined application of theory analysis , numerical simulation and on - site micro - seismic monitoring , this paper makes a thorough and systematic study on the fracture evolution process of rock damage under seepage - stress coupling and the mechanism of water inrush from coal seam floor , and obtains the following innovative results :

( 1 ) In this paper , the authors have overcome the limitation on the damage evolution of the internal structure of rock media , and introduced the micro - crack propagation - stress - damage coupling model based on the micro - crack evolution , and the relationship between the micro - crack damage evolution and the macro - elastic stiffness tensor , the permeability tensor , the ' s effective stress coefficient tensor , the ' s modulus and the acoustic emission characteristic parameters are derived . The coupling model is used to describe the general and the validity of the coupling model in describing the macroscopic anisotropy , pre - peak non - linear reinforcement , volume expansion , acoustic emission activity , permeability evolution and creep behavior of the rock medium .

( 2 ) A two - scale conceptual model is proposed to characterize the real rock media by the combination of mesoscopic elements and random distribution microcrack groups embedded therein . The model of rock seepage - stress - damage coupling has been combined with the macroscopic finite element model .

( 3 ) Based on the established macro - meso - view numerical model , the process of breaking water inrush from the bottom plate of the whole coal seam on the confined water body and the bottom plate of the coal bed containing the falling pillar is studied . The influence of the factors such as the process of advancing the working face , the breaking down and compaction of the roof slab , the non - homogeneity of the bottom plate rock mass , the water pressure and the time effect of the water - bearing stratum in the bottom plate are analyzed , and the formation of the " water inrush channel " under the combined action of the mining dynamic stress and the confined water pressure is deeply revealed , which provides a reference for the coal safety exploitation and the prevention and control of water inrush from the coal seam floor .

( 4 ) The micro - seismic event and the micro - seismic energy intensity of the bottom plate in the mining face of a mining face are continuously and dynamically monitored by using the high - precision micro - seismic monitoring technology , and a numerical simulation is carried out on the fracture evolution process of the coal seam floor of the working face in combination with the established macro - meso - view numerical model , and the specific positions and parameters of the mining face of the bottom plate are accurately identified , and the safe and efficient production of the working face of the pressure mining face is successfully guided ;
This paper proposes a new method for monitoring early warning of water inrush disaster in coal seam by combining high performance micro - seismic monitoring technology and numerical simulation technology of rock burst process developed in this paper . It has good engineering application prospect .
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TD32;TD745

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本文編號：2085808