本文關鍵詞：基于顆粒流的弱膠結裂隙巖體水沙兩相流特性研究　出處：《中國礦業(yè)大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：我國西部地區(qū)煤炭資源十分豐富,占我國煤炭資源預測總量的近80%,但該地區(qū)淺埋煤層上覆為弱膠結巖層和松散含水層,采掘過程中極易發(fā)生水沙災害,嚴重威脅礦井的安全生產。因此,開展對裂隙巖體水沙兩相流規(guī)律的研究對西部煤炭安全開采有著重要的理論和工程實際意義。本文主要通過格子Boltzmann方法和多相流理論對裂隙巖體水沙兩相流動規(guī)律進行理論分析,并利用顆粒流軟件對裂隙巖體的力學特性、堆積沙粒的起動規(guī)律、潰沙流動規(guī)律以及上覆厚松散沙層開采造成的頂板垮落進行數(shù)值模擬分析。主要研究工作如下:(1)顆粒流模擬參數(shù)與宏觀參數(shù)對應關系研究。通過數(shù)值模擬不同細觀參數(shù)模型的宏觀響應,分析了接觸剛度、粘結強度、摩擦系數(shù)、孔隙比、剛度比以及粘滯系數(shù)等微觀參數(shù)對宏觀力學行為的影響;標定了接觸剛度、粘結強度、摩擦系數(shù)和粘滯系數(shù)等與裂隙巖體水沙兩相流動的相關參數(shù)。(2)弱膠結裂隙巖體結構特征和力學特性分析。從微觀角度分析了弱膠結巖石的組成成分以及膠結程度;基于顆粒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、抗壓等強度特性和變形特性;建立了弱膠結巖石的力學本構方程。研究表明,裂隙的存在對破壞面的形態(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度、殘余強度和初始彈性模量等力學參數(shù)減小,降低了巖石力學性能。(3)建立裂隙巖體水沙兩相流動的格子Boltzmann模型�；诟褡覤oltzmann方法推導了水沙兩相的基本守恒方程;建立水沙兩相流動系統(tǒng)的控制方程;基于浸入邊界法,利用歐拉點和拉格朗日點處理水沙兩相界面;基于離散元方法得到了顆粒碰撞力學模型。(4)裂隙巖體水沙兩相顆粒運動規(guī)律分析。理論分析了沙粒堆積體在水流作用下的起動流速,并得到沙粒起動流速判別式;數(shù)值模擬沙粒起動,得到沙粒堆積體在起動過程為分層運動的規(guī)律;數(shù)值模擬裂隙潰沙,分析了沙粒進入裂隙前后的流動形態(tài),發(fā)現(xiàn)沙粒在進入裂隙前呈現(xiàn)出的漏斗狀形態(tài),沙粒進入裂隙后,在裂隙內做“S”型曲線運動;建立上覆厚松散沙層礦井開采的頂板力學模型,利用斷裂力學理論分析得到造成頂板垮落裂隙尖端的應力強度因子;分析突水潰沙通道水壓及水沙混流速度的變化;水流涌入裂隙后弱化了巖體結構,沙粒堵塞,巖體孔隙壓力增大,裂隙迅速發(fā)育擴展,加速頂板垮落。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD32;TD771

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