节理岩石透水机理的试验研究

论文摘要

裂隙岩体的水力学特性对岩土工程活动产生重要影响,如矿区地表水渗漏、煤层底板承压水突出预防与控制,以及石油开采、地热开采、核废料的埋藏等,都不可避免地涉及到裂隙水的问题。正确掌握节理岩石的透水机理,对于矿山设计、开采安全、以及矿区地下水资源的保护、区域环境安全预测预报都有重要的理论意义和实际价值。本文通过理论分析、数值计算和现场工程应用相结合的方法,对节理岩石透水机理的试验技术进行了系统的分析和研究。首先在分析节理岩石的渗流特性、节理渗流的水力学模型、应力作用下节理渗流演化规律的基础上,发现致密岩石和节理组岩石渗透系数之间存在着非常显著的差异,可以达到8个数量级。致密岩石试件的实验渗透性不能客观准确地反映节理岩石的渗透性。单节理面岩石的达西定理模型及岩石的MTS渗透试验结果,还不能够满足反应节理岩石的渗透性预测的实际需要。进一步通过F-RFPA2D数值模拟计算,研究分析了节理岩石在破坏前后不同变形阶段加载步-垂直载荷-渗透系数之间的关系。结果显示,在线性变形阶段,岩石的渗透系数随应力的增大而减少;在非线性变形阶段,岩石的渗透系数减速变缓;在软化阶段,随着节理岩石裂隙逐渐扩展联通,渗透系数不断增大;不同厚度、不同角度节理在不同垂直载荷作用下,渗透系数变化也不同;剪应力作用下节理岩石更容易发生破坏,渗透系数伴随裂纹的扩展变化而变化,剪应力引起的节理岩石变形对其渗流有重要的影响。通过分析MTS渗流试验方法的原理与特点,提出了综合考虑岩石受力状态、各相异性、节理面粗糙度、节理产状等因素的综合渗透系数的试验测试方法,给出了节理岩石在剪应力作用下透水性检测装置和设计方法。结合黄陵一号煤矿实际工程,分析了该矿3、4采区工作面开采透水机理,发现工作面自开切眼推进到120m,工作面顶板18m以上层位岩层发生离层,裂隙范围进一步加大,出现第一次透水,实际透水量80m3/h;工作面推进到160m,裂隙带高度达到58m,透水量加大,实测透水量140m3/h;工作面推进到240m,裂隙带发育至煤层以上120m处,实测工作面透水量105m3/h,与计算位置一致;工作面推进到280m,裂隙贯穿隔水层底板,裂隙带岩层水流流量加大,实际透水量140m3/h;工作面推进到320m,裂隙带贯穿隔水层,实测透水量105m3/h。模拟过程中的透水量和实际检测到的涌水量相吻合。验证了节理岩石的透水机理与现场的一致性,因此开发节理岩石渗透性检测装置是非常必要的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文选题的背景和意义
• 1.1.1 论文选题的背景
• 1.1.2 论文选题的意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.2.1 岩石渗透系数的研究现状
• 1.2.2 渗流及应力耦合研究现状
• 1.2.3 节理渗流的模型研究
• 1.2.4 节理裂隙岩体渗流与剪应力耦合研究
• 1.2.5 节理岩石渗流试验方法研究
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 2 节理岩石透水试验的理论分析
• 2.1 岩石的渗流特性
• 2.1.1 岩石的渗透性
• 2.1.2 岩石渗流的不均匀性
• 2.1.3 岩石渗流的各向异性
• 2.1.4 岩石渗流的非饱和性
• 2.1.5 岩石渗流的耦合特性
• 2.2 单裂隙面的水流运动规律
• 2.3 渗透压力及其对节理的力学作用
• 2.3.1 静水压力和渗透压力
• 2.3.2 有效应力定律
• 2.3.3 渗透压力引起的节理壁面的变形
• 2.3.4 水压力对岩石强度的影响
• 2.4 节理渗流的水力学模型
• 2.4.1 等开度光滑节理水力学模型
• 2.4.2 .粗糙节理水力学模型
• 2.5 渗流应力耦合作用的基本方程
• 2.5.1 经典Biot 渗流力学耦合方程
• 2.5.2 渗透性质与应力关系方程分析
• 2.6 应力作用下节理裂隙渗流机理分析
• 2.6.1 仅在法向应力作用下裂缝渗流机理分析
• 2.6.2 三维应力对裂隙渗流规律影响的理论分析
• 2.6.3 剪应力作用下裂缝渗流机理分析
• 2.7 岩石破裂过程渗透性演化基本规律
• 2.8 小结
• 3 节理岩石透水性检测装置与方法
• 3.1 正应力作用下渗透试验原理与方法
• 3.1.1 MTS 渗透试验原理
• 3.1.2 MTS 渗透试验操作步骤
• 3.2 考虑剪应力作用的一种节理岩石透水性检测装置
• 3.2.1 技术领域
• 3.2.2 背景技术
• 3.2.3 装置内容
• 3.3 透水性检测方法
• 3.3.1 透水性检测方法步骤
• 3.3.2 透水性检测的优点
• 3.4 渗透试验的对比分析
• 3.5 小结
• 4 节理岩石在孔隙水压力作用下的F-RFPA 数值模拟
• 4.1 孔隙水压力作用下节理岩石的渗流数值模拟
• 4.1.1 数值模型建立与参数确定
• 4.1.2 模拟结果分析
• 4.2 有孔隙水压和无孔隙水压条件下岩石的数值模拟对比分析
• 4.3 相同条件下不同厚度节理的数值模拟
• 4.4 相同条件下不同角度节理的数值模拟
• 4.5 节理裂隙扩展过程渗透性演化
• 4.6 节理岩石在剪应力条件下的数值模拟
• 4.7 小结
• 5 工程实例
• 5.1 工程概况及模型建立
• 5.1.1 开采地质条件
• 5.1.2 模型建立和力学参数
• 2D 数值模拟结果'>5.2 采动岩层的F-RFPA^2D数值模拟结果
• 5.2.1 导水裂隙的判据
• 5.2.2 数值模拟结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结
• 6.1 本文的结论
• 6.2 今后努力的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录