陷落柱活化导水机理研究

论文摘要

陷落柱是发现于我国华北地区的一种特殊的地质现象，导水陷落柱是矿井生产极大的水害威胁。但是目前对陷落柱形成的具体过程和力学机理以及陷落柱在弱径流条件下的活化导水的机理、煤矿开采对陷落柱活化导水的影响等，都未有深入的研究。本文采用有关力学理论和数值方法，研究了陷落柱的形成机理和活化导水机理： 运用弹塑性理论、岩石力学理论、断裂力学理论及极限平衡原理，研究了陷落柱形成的基础、形成过程，认为：溶洞顶板边缘的裂隙扩展形成一个周边破坏带的判据为（-3qz/2h3）a2πl1/2≥KIC；溶洞顶板形成分离体，在重力作用下分离体开始塌陷的判据为2cb+2λρgtanφhb＜（hρg-P0）γ，该判据表明陷落顶板的塌陷与溶洞大小、顶板厚度、上覆岩层的压力、岩石性质等因素有关；溶洞顶板持续塌陷会形成陷落柱。 在分析陷落柱的柱体不同层段的阻水性能的基础上，根据弹塑性理论、岩石力学理论研究了陷落柱柱体及其周边的应力分布，求出了在自身重力、围岩应力、地下水压力作用下的陷落柱柱体内的应力分布公式（3.3）、（3.4）、（3.20）、（3.21）、（3.27）、（3.28）；根据不同的阻水层段的性质和可能破坏导水的不同部位，分别求得了陷落柱柱体的不同的破坏导水判据： （松散裂隙层破坏导水判据） 2cb+2σrb+ztanφb＜（p0-ρgh）r （泥石胶结层与周边错位导水判据） （泥石胶结层中心剪切破坏导水判据）并得出了陷落柱柱体活化导水的必要条件及如何判别陷落柱体是否导水的步骤。 通过断裂力学理论和裂隙渗流理论研究了陷落柱周边裂隙带内的裂隙在水压力作

论文目录

• 声明
• AFFIRMATION
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及其研究意义
• 1.2 文献综述
• 1.3 研究内容和方法及技术路线
• 2 陷落柱形成的力学机理研究
• 2.1 岩溶溶洞顶板破坏塌陷的机理研究
• 2.2 陷落柱形成过程
• 2.3 本章小结
• 3 陷落柱柱体活化导水的力学机理研究
• 3.1 陷落柱体阻水性能分析
• 3.2 陷落柱柱体及其周边裂隙带应力分布研究
• 3.3 陷落柱柱体活化导水的力学判据
• 3.4 陷落柱柱体活化导水的必要条件
• 3.5 本章小结
• 4 陷落柱周边裂隙带活化导水研究
• 4.1 陷落柱周边裂隙带的成因及特征
• 4.2 陷落柱周边裂隙带活化导水的力学判据
• 4.3 周边裂隙渗流与应力耦合作用下的水力学模型
• 4.4 陷落柱周边裂隙导水对陷落柱柱体导水的影响及二者的比较
• 4.5 本章小结
• 5 陷落柱活化导水的数值模拟研究
• 5.1 大型有限元软件ANSYS简介
• 5.2 陷落柱柱体及其周边原始应力分布的数值模拟
• 5.3 在水压力作用下的陷落柱活化导水的数值模拟
• 5.4 开采作用对陷落柱活化导水影响的数值模拟
• 5.5 陷落柱周边裂隙带应力强度因子的数值方法计算
• 5.6 本章小结
• 6 任楼井田的陷落柱分布规律及导水原因研究
• 6.1 任楼井田陷落柱分布规律研究
• 6.2 任楼井田陷落柱导水原因研究
• 6.3 本文研究成果的应用步骤
• 6.4 本章小结
• 7 主要结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文及主要研究成果
• 参考文献
• 中文详细摘要