本文選題：陷落柱 + 填隙物　； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)》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(qiáng)含水層威脅煤炭資源量巨大,礦井奧灰水害日趨嚴(yán)重。陷落柱作為我國華北地區(qū)一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造,多發(fā)育于奧陶系石灰?guī)r,易成為垂向?qū)ǖ蓝⒚簩拥装搴蛫W灰水的水力聯(lián)系引發(fā)大型突水事故。同時(shí),陷落柱突水具有隱蔽性、滯后性和突發(fā)性等特點(diǎn),難以進(jìn)行預(yù)測和防范,因此研究采動(dòng)影響下陷落柱的滲流演化規(guī)律及突水機(jī)理具有十分重要意義。本文以陷落柱為研究對(duì)象,綜合采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)固結(jié)和采動(dòng)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(duì)陷落柱水害防治具有一定的指導(dǎo)意義。(1)通過土工試驗(yàn)固結(jié)方法制備了陷落柱填隙物樣品并測試了其固結(jié)狀態(tài)的滲流特性。陷落柱填隙物固結(jié)狀態(tài)下全應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透率呈現(xiàn)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(jié)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(shù)函數(shù)關(guān)系。(2)通過陷落柱采動(dòng)狀態(tài)的滲透性試驗(yàn)研究了陷落柱突水的突發(fā)性和滯后性。通過陷落柱采動(dòng)狀態(tài)下的滲透性測試分析了滲流邊界和有側(cè)限軸壓對(duì)滲透率、啟動(dòng)水力梯度和顆粒流失質(zhì)量的影響規(guī)律,提出大顆粒流失導(dǎo)致骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是發(fā)生滲流突變現(xiàn)象的根本原因,并基于非達(dá)西流推導(dǎo)討論了非達(dá)西流β因子的意義�；诓蓜�(dòng)影響下應(yīng)力場的變化規(guī)律,提出陷落柱突水的滯后性是由于采動(dòng)影響下破碎巖體的壓實(shí)作用、二次破壞造成的滲透率減小和顆粒運(yùn)移形成的滲流衰減等因素共同引起的。(3)自行研制及應(yīng)用了陷落柱滲流模型的物理試驗(yàn)系統(tǒng)和材料。配制了可進(jìn)行滲透性調(diào)節(jié)的流固耦合試驗(yàn)相似材料,自行設(shè)計(jì)研制了陷落柱滲流模型的物理試驗(yàn)系統(tǒng),為揭示采動(dòng)影響下陷落柱滲流演化機(jī)理提供了新的試驗(yàn)材料、試驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)方法。并通過該系統(tǒng)對(duì)不同滲透性的底板隱伏陷落柱模型進(jìn)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(kuò)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(yīng)力場對(duì)巖體滲透率影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,建立了陷落柱滲流突變模型�；谟邢薏罘址〝�(shù)值計(jì)算軟件,對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果確定了陷落柱滲流突變模型的計(jì)算參數(shù),通過該數(shù)值模型研究了陷落柱的滲流突變過程中孔隙水壓與時(shí)間、擴(kuò)散距離、采動(dòng)影響的關(guān)系,揭示了采動(dòng)影響下底板隱伏陷落柱的突水機(jī)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(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD74

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本文編號(hào)：2073650