【摘要】：為進(jìn)一步豐富隔水層滲流穩(wěn)定性隨煤層采動的時(shí)空演變機(jī)理,從系統(tǒng)論和突變論角度分析了覆巖隔水層系統(tǒng)的耗散機(jī)制及其采動失穩(wěn)的動力響應(yīng)。綜合采用理論分析、數(shù)學(xué)計(jì)算和反演建模等方法,對隔水層系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)形成機(jī)制、裂隙巖體耦合場失穩(wěn)突變特性、隔水性能采動失穩(wěn)動力學(xué)解析進(jìn)行了探究。主要研究成果如下:(1)揭示了采動致因的隔水層系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)形成機(jī)制界定了采動覆巖隔水層系統(tǒng)的宏細(xì)觀范疇,分析了采動影響下系統(tǒng)與外界的物質(zhì)和能量交換、非平衡有序程度升高、組成要素非線性相關(guān)和以漲落脫離臨界狀態(tài)等特征,依此得出了采動隔水層系統(tǒng)具有耗散結(jié)構(gòu)特性的結(jié)論。(2)分析了隔水層裂隙應(yīng)力滲流耦合失穩(wěn)突變特性建立了基于宏觀系統(tǒng)細(xì)觀體元表征的耦合場平面力學(xué)模型,通過計(jì)算勢能增量函數(shù)構(gòu)建了以水平應(yīng)力和孔隙壓力為特征值的尖角型突變數(shù)學(xué)模型,得到了三維空間下的模型失穩(wěn)突變路徑和基于孔壓相對突跳幅度的臨界判據(jù),并通過反演建模和實(shí)測對比,論證分析了煤層回采過程中的隔水層穩(wěn)定性演化特征。(3)明確了隔水層系統(tǒng)采動失穩(wěn)的動力響應(yīng)機(jī)制及閾值效應(yīng)將孔隙壓力熵引入采動隔水層系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)中,分析了系統(tǒng)負(fù)熵流與正熵產(chǎn)生誘因以及系統(tǒng)失穩(wěn)演化中的熵減效應(yīng),建立了基于超力自變量和超流因變量的自治動力方程,分析了基于超熵產(chǎn)生的隔水層系統(tǒng)失穩(wěn)的臨界開采尺度閾值效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD745
【圖文】：

10]。圖1-1 煤炭地下開采前后地表植被及徑流情況Figure 1-1 Scenario of land vegetation and runoff before and after underground coal mining鑒于地下巖體的天然特性與隔水層結(jié)構(gòu)的賦存環(huán)境，隔水層巖體往往承受多相（固、液）和多場（應(yīng)力場、裂隙場、滲流場）的耦合疊加作用[11,12]，從而涌現(xiàn)出典型復(fù)雜巨系統(tǒng)的基本特性[13]，即穩(wěn)定與失穩(wěn)、平衡與失衡、線性與非線性、漸變與突變之間的交替更迭。因此，有必要以現(xiàn)有的力學(xué)理論體系為基礎(chǔ)，充分考慮應(yīng)力、裂隙及滲流三者耦合疊加作用于隔水層巖體這一實(shí)際情況，從兼容巖石力學(xué)、滲流力學(xué)和非線性動力學(xué)的多學(xué)科交叉視角出發(fā)，一方面，對非線性動力學(xué)在采礦工程領(lǐng)域的應(yīng)用做出有益性嘗試，發(fā)展一種能夠客觀描述采礦工程活動中遇到的巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、失衡、非線性和突變現(xiàn)象的新型理論體系；另一方面

滲流進(jìn)入下位基巖的作用，根據(jù)現(xiàn)有的關(guān)于含（隔）水層地質(zhì)情況的勘探結(jié)果，煤田地層中隔水層的賦存數(shù)目及狀態(tài)與含水層密切相關(guān)，即，無論煤田地層中存在單一或多個(gè)含水層，在下部總有相應(yīng)的隔水地層與其整合接觸，如圖2-1所示，從而保障自然狀態(tài)下含水層內(nèi)水資源的穩(wěn)定性。（a） 單一含（隔）水層 （b） 多含（隔）水層圖2-1 煤田典型地層結(jié)構(gòu)簡圖Figure 2-1 Schematic diagram for typical strata configuration of coalfield

在裂隙、應(yīng)力和滲流的交互作用下，隔水層原有的保護(hù)上位含水層內(nèi)水資源穩(wěn)定性的功能逐漸喪失。圖2-2 隔水層系統(tǒng)的界定簡圖Figure 2-2 Sketch map for delimitation of aquifuge system綜合上述，本論文所研究的隔水層系統(tǒng)應(yīng)界定為：上接淺表含水層、由軟弱巖石和黏土礦物組成的在自然狀態(tài)下能夠阻隔水體大規(guī)模下向流動的一層或多層巖體結(jié)構(gòu)，其與含水層和基巖交界面作為上下邊界，并包含巖石及巖石內(nèi)部一切組成要素（礦物、孔隙、原生節(jié)理、次生裂隙、水分、空氣等）。2.2 系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)形成機(jī)制（Forming Mechanism of DissipationStructure inAquifuge System）采動影響下的隔水層系統(tǒng)是否存在耗散結(jié)構(gòu)需要結(jié)合隔水層系統(tǒng)自身特性、所處環(huán)境和耗散結(jié)構(gòu)形成條件進(jìn)行綜合考察。隔水層系統(tǒng)及其所處環(huán)境如圖 2-3所示，在煤層開采過程中，若隔水層系統(tǒng)由穩(wěn)定到失穩(wěn)的演化過程可視為耗散結(jié)構(gòu)，則必須滿足熱力學(xué)定義耗散結(jié)構(gòu)的 4 個(gè)基本條件。圖2-3 隔水層系統(tǒng)及其環(huán)境Figure 2-3 Aquifuge system and its surroundings

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉英鋒;王新;;黃隴侏羅紀(jì)煤田頂板水害防治問題及對策探討[J];西安科技大學(xué)學(xué)報(bào);2013年04期

2 范鋼偉;張東升;馬立強(qiáng);;神東礦區(qū)淺埋煤層開采覆巖移動與裂隙分布特征[J];中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

3 高瑋;汪磊;楊大勇;;基于能量原理的巖石損傷研究[J];地下空間與工程學(xué)報(bào);2010年S2期

4 左宇軍;李術(shù)才;秦泗鳳;李利平;;動力擾動誘發(fā)承壓水底板關(guān)鍵層失穩(wěn)的突變理論研究[J];巖土力學(xué);2010年08期

5 黃慶享;;淺埋煤層保水開采隔水層穩(wěn)定性的模擬研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2009年05期

6 李培超;李賢桂;龔士良;;承壓含水層地下水開采流固耦合滲流數(shù)學(xué)模型[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年S1期

7 繆協(xié)興;王安;孫亞軍;王連國;浦海;;干旱半干旱礦區(qū)水資源保護(hù)性采煤基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2009年02期

8 孫強(qiáng);馬平;冶小平;劉天霸;;斜坡演化的燕尾突變模型研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2008年07期

9 蘇澤奎;;新疆拜城縣梅斯布拉克東井田水文地質(zhì)條件分析[J];新疆有色金屬;2008年01期

10 朱洪來;白象忠;;流固耦合問題的描述方法及分類簡化準(zhǔn)則[J];工程力學(xué);2007年10期

本文編號：2753647