本文選題：陷落柱 + 填隙物�。� 參考：《中國礦業(yè)大學》2016年博士論文

【摘要】：華北地區(qū)一直是我國重要的煤炭基地,華北型煤田受巖溶強含水層威脅煤炭資源量巨大,礦井奧灰水害日趨嚴重。陷落柱作為我國華北地區(qū)一種特殊的地質構造,多發(fā)育于奧陶系石灰?guī)r,易成為垂向導水通道而建立煤層底板和奧灰水的水力聯系引發(fā)大型突水事故。同時,陷落柱突水具有隱蔽性、滯后性和突發(fā)性等特點,難以進行預測和防范,因此研究采動影響下陷落柱的滲流演化規(guī)律及突水機理具有十分重要意義。本文以陷落柱為研究對象,綜合采用理論分析、室內試驗和數值模擬相結合的方法,對固結和采動狀態(tài)的陷落柱填隙物及底板隱伏陷落柱的滲流特性開展了一系列的研究,對陷落柱水害防治具有一定的指導意義。(1)通過土工試驗固結方法制備了陷落柱填隙物樣品并測試了其固結狀態(tài)的滲流特性。陷落柱填隙物固結狀態(tài)下全應力-應變過程中滲透率呈現出減小-增大-減小的變化規(guī)律,陷落柱填隙物的初始滲透率隨著固結壓力的增大和初始含水率的減小而減小,滲透率峰值與圍壓間存在指數函數關系。(2)通過陷落柱采動狀態(tài)的滲透性試驗研究了陷落柱突水的突發(fā)性和滯后性。通過陷落柱采動狀態(tài)下的滲透性測試分析了滲流邊界和有側限軸壓對滲透率、啟動水力梯度和顆粒流失質量的影響規(guī)律,提出大顆粒流失導致骨架結構失穩(wěn)是發(fā)生滲流突變現象的根本原因,并基于非達西流推導討論了非達西流β因子的意義。基于采動影響下應力場的變化規(guī)律,提出陷落柱突水的滯后性是由于采動影響下破碎巖體的壓實作用、二次破壞造成的滲透率減小和顆粒運移形成的滲流衰減等因素共同引起的。(3)自行研制及應用了陷落柱滲流模型的物理試驗系統和材料。配制了可進行滲透性調節(jié)的流固耦合試驗相似材料,自行設計研制了陷落柱滲流模型的物理試驗系統,為揭示采動影響下陷落柱滲流演化機理提供了新的試驗材料、試驗設備及相關方法。并通過該系統對不同滲透性的底板隱伏陷落柱模型進行了滲透性測試,獲得了孔隙水壓隨水壓力的變化規(guī)律:孔隙水壓力隨著擴散距離的增大而逐漸減小,且均服從雙曲線衰減規(guī)律。(4)在考慮孔隙水壓和應力場對巖體滲透率影響規(guī)律的基礎上,建立了陷落柱滲流突變模型�；谟邢薏罘址〝抵涤嬎丬浖�,對比模型試驗結果確定了陷落柱滲流突變模型的計算參數,通過該數值模型研究了陷落柱的滲流突變過程中孔隙水壓與時間、擴散距離、采動影響的關系,揭示了采動影響下底板隱伏陷落柱的突水機理。
[Abstract]:North China has always been an important coal base in China. North China coal field is threatened by karst strong aquifer and the coal resource is huge, and the mine Ordovician ash water damage is becoming more and more serious. As a special geological structure in North China, the collapse pillar is mostly developed in the Ordovician limestone, and it is easy to become a vertical water channel and the hydraulic connection between the floor of coal seam and the water of Ordovician ash will lead to a large-scale water inrush accident. At the same time, it is difficult to predict and prevent the collapse column water inrush with the characteristics of concealment, lag and sudden, so it is very important to study the seepage evolution law and water inrush mechanism under the influence of mining. In this paper, the collapse column is taken as the research object, and a series of studies are carried out on the percolation characteristics of the collapsing column filled with consolidation and mining state and the underlying collapse column under the condition of consolidation and mining by the method of theoretical analysis, laboratory test and numerical simulation. It has a certain guiding significance for the prevention and control of collapse column water hazard. (1) through the method of soil test consolidation, the sample of caved column filling material is prepared and the seepage characteristics of its consolidation state are tested. Under the condition of consolidation of caved column, the permeability of the caved column decreases with the increase of the consolidation pressure and the decrease of the initial moisture content, and the change of permeability shows the law of decreasing, increasing and decreasing in the process of total stress-strain, and the initial permeability of the settlement column decreases with the increase of the consolidation pressure and the decrease of the initial moisture content. There is an exponential function relationship between peak permeability and confining pressure. (2) the burst and lag of water inrush of collapse column are studied by permeability test of mining state of collapse column. The effects of seepage boundary and lateral confined axial pressure on permeability, start-up hydraulic gradient and particle loss quality are analyzed by the permeability test under mining state of caving column, and the influence of seepage boundary and lateral confined axial pressure on permeability, start-up hydraulic gradient and particle loss quality are analyzed. It is pointed out that the instability of the skeleton structure caused by the loss of large particles is the fundamental cause of the seepage catastrophe, and the significance of the 尾 factor of the non-Darcy flow is discussed based on the derivation of the non-Darcy flow. Based on the variation of stress field under the influence of mining, it is proposed that the lag of collapse column water inrush is due to the compaction of broken rock mass under the influence of mining. The decrease of permeability caused by secondary failure and the seepage attenuation caused by particle migration are all caused by the factors. (3) the physical test system and materials for the seepage model of collapse column are developed and applied. A similar material for fluid-solid coupling test was prepared to adjust permeability, and a physical test system for seepage model of collapse column was designed and developed, which provides a new experimental material for revealing the mechanism of seepage evolution of collapse column under the influence of mining. Test equipment and related methods. Through the system, the permeability of the subsurface collapse column model with different permeability is tested, and the variation law of pore water pressure with water pressure is obtained: the pore water pressure decreases gradually with the increase of diffusion distance. On the basis of considering the influence of pore water pressure and stress field on the permeability of rock mass, a sudden seepage model of collapse column is established. Based on the numerical calculation software of finite difference method, the calculation parameters of seepage catastrophe model of collapse column are determined by comparing the results of model test. The pore water pressure, time and diffusion distance during seepage catastrophe of collapse column are studied by this numerical model. The relation of mining effect reveals the water inrush mechanism of the underlying collapse column under the influence of mining.
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD74

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本文編號：2073650