固液耦合作用下底板突水过程的数值模拟研究

论文摘要

煤层推进过程中的底板突水过程是一个及其复杂、非线性的过程,它受到应力场和渗流场的相互影响。因此,底板突水过程的研究发展到了一个新的阶段,固液耦合理论为煤层推进过程中的底板突水研究提供了一种新的途径和方法。本文在总结前人研究成果的基础上,首先分析了影响煤层底板突水的主要因素,包括采动应力、含水层的承压水压力、地质构造、底板裂隙及发育程度等。其次阐述了裂隙含水介质的应力渗流耦合的基本理论,重点阐述了应力场和渗流场之间的相互影响行为。然后利用多物理场数值仿真模拟软件,实现了应力场和渗流场之间的耦合。主要内容包括：（1）在无承压水水压的作用下,考虑底板完整岩层在推进过程中的采动影响对底板中的应力变化,及顶底板的位移变化情况；（2）在不同的承压水水压（2MPa-5MPa）作用下,底板完整岩层在推进过程中底板的位移变化。重点模拟不同水压和推进过程中底板所承受最大水压,利用突水判据判断在推进过程中底板岩层是否发生突水；（3）在承压水作用下,对含裂隙的底板岩层分别进行了数值模拟计算：含单组裂隙和含三组裂隙,含单组裂隙又分为裂隙长度为5m和10m两种情况。推断出底板裂隙的发育程度对底板突水的极大促进作用。图：[46]；表：[4]；参：[60]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 底板突水机理及预测方法研究现状
• 1.2.2 矿井突水数值模拟研究现状
• 1.2.3 防治突水技术进展
• 1.3 主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 本文的主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 煤层底板突水影响因素分析
• 2.1 承压水体上采煤底板突水类型
• 2.2 承压水体上开采底板突水影响因素分析
• 2.2.1 含水层的承压水压力
• 2.2.2 矿山压力
• 2.2.3 地质构造
• 2.2.4 底板岩性组合
• 2.2.5 工作面开采空间及开采方法
• 2.3 预测底板突水的理论基础
• 2.3.1 采动影响和承压水水压对底板突水的作用
• 2.3.2 煤层开采底板突水判据
• 2.4 小结
• 3 裂隙岩体应力渗流固液耦合作用研究
• 3.1 裂隙含水介质渗流场与应力场的相互影响
• 3.1.1 渗流场对应力场的影响
• 3.1.2 应力场对渗流场的影响
• 3.2 固液耦合定解条件
• 3.2.1 渗流场定解条件
• 3.2.2 应力场定解条件
• 3.3 固液耦合分析的有限元方法
• 3.3.1 有限单元法的基本思想
• 3.3.2 有限元的未来是多物理场耦合
• 3.4 小结
• 4 含裂隙底板煤层突水的数值模拟
• 4.1 COMSOL Multiphysics软件简介
• 4.1.1 COMSOL Multiphysics软件基本信息
• 4.1.2 COMSOL Multiphysics的显著特点
• 4.2 底板突水数值模型的建立
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 数值模型的材料参数
• 4.2.3 数值计算模型范围
• 4.2.4 模型的本够模型及边界条件和初始条件
• 4.3 数值模拟计算方案和计算过程
• 4.3.1 计算方案
• 4.3.2 计算过程
• 5 含裂隙底板煤层突水的数值模拟计算结果及分析
• 5.1 无水压作用下的底板完整岩层的数值模拟
• 5.1.1 推进30m老顶初次来压时煤层顶底板应力分布及岩层破坏规律
• 5.1.2 推进50-150m时围岩应力分布和位移场动态变化规律
• 5.2 承压水体上底板完整岩层的数值模拟
• 5.2.1 2MPa承压水作用下随推进过程中底板完整岩层的数值模拟
• 5.2.2 3MPa、4MPa、5MPa承压水作用下随推进过程中底板完整岩层的数值模拟
• 5.3 承压水体上含裂隙底板岩层的数值模拟
• 5.3.1 底板岩层含单组裂隙的数值模拟
• 5.3.2 底板岩层含三组裂隙的数值模拟
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要参与的课题