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在长壁开采过程中,采场边界覆岩损伤破坏严重,裂隙高度发育且难以压实闭合,是采动水资源易流失区域。本文围绕采场边界影响区覆岩损伤破坏特征与渗透性演化规律这一主题,综合运用理论分析、数值模拟、现场实测和室内实验等方法,针对两侧采场边界影响区采动叠加作用下区段煤柱覆岩应力分布、裂隙发育与渗透性演化规律等科学问题展开研究。论文主要研究成果如下:
(1)根据采动应力分布特征,将边界影响区分为煤壁支撑影响区和应力恢复区,基于极限平衡理论和上覆载荷守恒理论提出了各分区范围与应力的计算方法;根据采动地表下沉变形特征,确定地表移动盆地侧翼为边界影响区,提出了煤层覆岩在边界影响区各分区长度的计算方法;根据采动覆岩破坏程度,将边界影响区沿垂直方向进行分区,同时结合采动覆岩应力与变形分区,分析了采场边界影响区的渗透性分区特征。
(2)分析了FLAC3D内嵌的双屈服模型参数对材料力学行为的影响,提出了采空区垮落岩石非线性压实特性的数值模拟参数精确匹配方法;通过在数值模拟过程中监测岩层应力应变数据,判断其垮落与堆积状态,并同步修改岩层参数,实现采动覆岩垮落、堆积和压实动态演变过程的数值重演;揭示了相邻采场边界影响区的叠加应力场分布特征,给出两侧采场空间动态变化过程中的应力路径。
(3)建立了采动覆岩在采空区和煤柱上方连续变形的半无限弹性地基梁模型,揭示了岩层分组协同变形过程中接触面的张拉与剪切破坏特征,提出基于岩层协同变形和切应力极限平衡的张拉离层裂隙和剪切错动裂隙计算方法;揭示了拉应力诱发、切应力加剧的垂向裂隙发育机理,提出考虑裂隙尖端拉应力平衡与裂隙岩层有效承载截面上切应力平衡的垂向张拉和剪切裂隙计算方法。
(4)分析了采动应力路径下岩石的变形破坏特征与渗透性演化规律,基于岩石损伤演化过程中变形与声发射信号的关联特征,提出考虑岩石轴向应变损伤阈值、残余变形与二次加卸载变形的修正Lemaitre损伤变量表征方法,建立了采动剪切与拉伸复合损伤岩石渗透率演化模型,分析了采动岩石细观损伤演化至宏观破裂,以及裂隙压实闭合过程中渗透性与渗流场的动态演变规律。
(5)根据相邻采场空间动态变化与采动叠加作用下覆岩渗透性的演化规律与分布特征,并考虑水平与垂向裂隙对渗透性的影响,将边界影响区分为渗流衰减区、渗流叠加区、拉伸增透区、渗流稳定区、渗流恢复区、渗流恒增区和渗流剧增区;分析了煤柱参数对渗流恒增区和渗流叠加区等危险区域渗透性的控制规律,提出采动上覆水体垂向渗漏和相邻采空区积水侧向渗漏控制方法。
(1)根据采动应力分布特征,将边界影响区分为煤壁支撑影响区和应力恢复区,基于极限平衡理论和上覆载荷守恒理论提出了各分区范围与应力的计算方法;根据采动地表下沉变形特征,确定地表移动盆地侧翼为边界影响区,提出了煤层覆岩在边界影响区各分区长度的计算方法;根据采动覆岩破坏程度,将边界影响区沿垂直方向进行分区,同时结合采动覆岩应力与变形分区,分析了采场边界影响区的渗透性分区特征。
(2)分析了FLAC3D内嵌的双屈服模型参数对材料力学行为的影响,提出了采空区垮落岩石非线性压实特性的数值模拟参数精确匹配方法;通过在数值模拟过程中监测岩层应力应变数据,判断其垮落与堆积状态,并同步修改岩层参数,实现采动覆岩垮落、堆积和压实动态演变过程的数值重演;揭示了相邻采场边界影响区的叠加应力场分布特征,给出两侧采场空间动态变化过程中的应力路径。
(3)建立了采动覆岩在采空区和煤柱上方连续变形的半无限弹性地基梁模型,揭示了岩层分组协同变形过程中接触面的张拉与剪切破坏特征,提出基于岩层协同变形和切应力极限平衡的张拉离层裂隙和剪切错动裂隙计算方法;揭示了拉应力诱发、切应力加剧的垂向裂隙发育机理,提出考虑裂隙尖端拉应力平衡与裂隙岩层有效承载截面上切应力平衡的垂向张拉和剪切裂隙计算方法。
(4)分析了采动应力路径下岩石的变形破坏特征与渗透性演化规律,基于岩石损伤演化过程中变形与声发射信号的关联特征,提出考虑岩石轴向应变损伤阈值、残余变形与二次加卸载变形的修正Lemaitre损伤变量表征方法,建立了采动剪切与拉伸复合损伤岩石渗透率演化模型,分析了采动岩石细观损伤演化至宏观破裂,以及裂隙压实闭合过程中渗透性与渗流场的动态演变规律。
(5)根据相邻采场空间动态变化与采动叠加作用下覆岩渗透性的演化规律与分布特征,并考虑水平与垂向裂隙对渗透性的影响,将边界影响区分为渗流衰减区、渗流叠加区、拉伸增透区、渗流稳定区、渗流恢复区、渗流恒增区和渗流剧增区;分析了煤柱参数对渗流恒增区和渗流叠加区等危险区域渗透性的控制规律,提出采动上覆水体垂向渗漏和相邻采空区积水侧向渗漏控制方法。