孔隙水压作用下急倾斜煤层围岩运动规律研究

论文摘要

我国是世界上煤炭储存量最丰富的国家之一。随着煤炭资源开采强度的不断加大,急倾斜煤层的开采越来越受到关注。急倾斜煤层开采围岩移动变形规律的研究是西部煤炭开采的重大课题,特别是对于河流、岩溶水、老窑积水以及降雨入渗影响的急倾斜煤层开采,安全生产隐患成为制约矿井发展的瓶颈。本文以云南圭山急倾斜煤层为研究对象,在参与导师课题研究的基础上,对孔隙水压影响下的急倾斜煤层开采围岩运动规律进行了研究。首先,对煤层顶板含水砂岩进行了不同含水率下岩石力学性能的测试,得出了砂岩强度、弹性模量与含水率的关系。利用试验得出的力学参数进行F-RFPA2D数值模拟,得到不同围压与孔隙水压组合下岩石的破坏特征,岩石全应力应变过程渗透率的演化规律,并对影响孔隙水压作用的四个主要因素进行了分析,得出各自与岩石裂缝扩展的关系。其次,结合弹性力学、断裂力学对岩石中孔隙水压作用原理进行了分析,讨论了孔隙水压对砂岩力学特性（强度和变形模量）的影响。并根据弹塑性相关理论,从砂岩变形特性入手,得出了砂岩弹塑性本构关系。最后,利用上述研究结果,对云南圭山煤矿急倾斜工作面进行FLAC3D数值模拟分析。结果表明由于孔隙水压的影响,顶板岩层的强度和变形模量发生变化,导致围岩破坏和运动规律呈现出与无孔隙水压时不同的特征。验证了本文研究结论与现场的一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩体渗流试验研究
• 1.2.2 渗流与应力耦合理论研究进展
• 1.2.3 渗流与应力耦合的数值模拟方法
• 1.2.4 急倾斜煤层开采围岩移动规律研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 本文研究的理论基础
• 1.3.2 本文研究的内容和方法
• 1.3.3 本文研究的技术路线
• 2 不同含水率下砂岩力学试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 试样制备
• 2.3 试验设备
• 2.4 砂岩力学变形性质试验
• 2.4.1 试验方法
• 2.4.2 试验过程
• 2.4.3 试验数据整理
• 2.4.4 试验结果分析
• 2.5 不同含水率下岩石微观结构实验分析
• 2.6 砂岩遇水软化后的强度与变形特性
• 2.7 小结
• 3 孔隙水压作用下砂岩破坏过程的数值试验研究
• 2D 软件概述'>3.1 F-RFPA^2D软件概述
• 3.2 孔隙水压作用砂岩破坏过程数值试验模型及参数
• 3.3 孔隙水压对砂岩作用的数值试验结果分析
• 3.3.1 孔隙水压作用下砂岩的破坏特征
• 3.3.2 不同应力应变阶段渗透率演化规律
• 3.3.3 峰后渗透率变化特征
• 3.3.4 卸载阶段岩石渗透率演化
• 3.4 影响孔隙水压作用因素的数值模拟分析
• 3.4.1 围压改变对孔隙水压作用的影响
• 3.4.2 初始水压对岩石孔隙水压作用的影响
• 3.4.3 岩石强度变化对岩石孔隙水压作用的影响
• 3.4.4 弹性模量对岩石孔隙水压作用的影响
• 3.5 小结
• 4 孔隙水压作用下砂岩力学特性理论研究
• 4.1 前言
• 4.2 岩石孔隙水压作用原理分析
• 4.3 孔隙水压力对砂岩力学特性影响讨论
• 4.3.1 孔隙水压对岩石强度的影响
• 4.3.2 孔隙水压对岩石变形模量的影响
• 4.4 不同应力条件下砂岩变形特性及本构关系
• 4.4.1 砂岩的变形特性
• 4.4.2 砂岩弹性本构关系
• 4.4.3 砂岩塑性本构关系
• 4.5 本章小结
• 5 孔隙水压作用下急倾斜煤层围岩运动规律研究
• 3D 程序简介'>5.1 FLAC^3D程序简介
• 5.2 工程地质概况
• 5.3 数值试验
• 5.3.1 计算参数设置
• 5.3.2 数值模型
• 5.4 计算结果及分析
• 5.4.1 沿工作面倾向围岩应力分布规律对比分析
• 5.4.2 沿工作面倾向围岩移动规律对比分析
• 5.4.3 沿工作面走向围岩应力分布破坏规律对比分析
• 5.4.4 采场围岩应力分布破坏规律分析
• 5.4.5 采场孔隙水压变化规律
• 5.5 小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 问题探讨
• 致谢
• 参考文献
• 附录