颗粒迁移下破碎巷道围岩渗透失稳的灾变机理研究

It is easy to cause water inrush and roof collapse hazards under the effect of confined aquifer. The basic reason is the fine particle migration in surrounding rock after it conducts water from aquifer, which causes the formation of water inrush pathway and the weakness of the physical and mechanical properties of surrounding rock. However, the temporal-spatial evolution of the seepage and stress properties of the surrounding rock caused by particle migration is extremely complicated. The hazard mechanism lacks an in-depth study of experiment and theory. In this project, small rock particles are freely migrated in the radial direction by experimental investigation. The variation law for seepage properties of the broken rock mass under particle migration is studied to reproduce the process of variable mass causing water inrush. After establishing a variable mass model of fine particle migration, the temporal-spatial evolution of the seepage properties is analyzed by numerical simulation to reveal the formation mechanism of water inrush pathway. Based on the interaction between cohesion and pore evolution, the instability model is established to analyze the temporal-spatial evolution of stress field, revealing the failure mechanism of the surrounding rock. The research achievements provide a theoretical basis for the prevention and control of seepage instability induced hazard for surrounding rock of broken roadway.

受承压水作用，破碎巷道易诱发突水事故及冒顶坍塌等灾害，其根本原因在于围岩导水后岩体细小颗粒迁移流失，容易形成突水通道且弱化围岩物理力学性质。然而颗粒迁移造成围岩渗流与应力特性的时空演变过程极其复杂，其灾害发生机理缺乏试验及理论的深入研究。本项目通过试验实现细小岩石颗粒沿径向自由迁移，研究颗粒迁移下破碎岩体渗透性的变化规律，再现变质量突水过程；建立细小颗粒迁移的变质量模型，通过数值模拟研究围岩渗透特性的时空演变规律，揭示突水通道的形成机制；依据岩体内聚力与孔隙演化的相互影响关系，建立失稳模型分析应力场的时空演变规律，揭示围岩的失稳破坏机理；研究成果为破碎巷道围岩渗透失稳灾害的防治提供理论依据。

承压水作用下，破碎巷道围岩内部细小颗粒迁移流失，容易形成导水通道且导致岩体物理力学性质下降，最终造成巷道突水和冒顶坍塌等灾害。由于颗粒迁移作用下岩体渗流和力学特征时空演化规律十分复杂，导水通道形成及岩体渗透失稳机制难以突破，对细小颗粒迁移的致灾机理缺乏深入研究。为此，本项目设计了破碎巷道围岩颗粒迁移试验系统，开展了不同条件下的渗透试验研究，再现了变质量突水过程。充分考虑混合流体质量守恒、运动特征及非线性行为，建立了破碎巷道围岩变质量渗流模型，揭示了突水通道的形成机制。依据岩体内聚力和孔隙演化的相互影响关系，建立了围岩渗透失稳模型，揭示了围岩的失稳破坏机理。试验和模拟结果表明，在水压作用下，靠近出水口位置的骨架颗粒率先被液化形成细小颗粒；随后，流量逐渐增大，突水通道迅速形成，造成更多的细小颗粒被迁移；最后细小颗粒迁移逐渐减弱，试样的孔隙率及渗透率趋于稳定。随着渗流进行，岩体有效径向应力随空间逐渐增加，出水口自由边最先发生破坏失稳。项目成功解决了渗透作用下细小颗粒径向迁移的核心问题，提出了试验室尺度下研究破碎岩体变质量渗流问题的新思路；首次建立了破碎巷道围岩颗粒迁移及渗透失稳模型，弥补了现有模型无法准确描述颗粒迁移下岩体渗流非线性演化及渗透失稳特征的不足。研究成果可为破碎巷道围岩渗透失稳灾害的防治提供了理论依据，具有较高的科学价值与广阔的应用前景。.项目期内共计发表标注基金编号的论文15篇，其中被SCI论文14篇，EI论文1篇，ESI高被引论文7篇，ESI热点论文5篇；获授权/受理国家发明专利7项，获受理PCT专利2项；参加国内/国际会议9次并受邀作报告6次；获省部级奖2项；培养毕业博/硕士研究生4人；负责人获国家自然科学基金优青、面上项目各1项，入选矿业工程中国高被引学者、中国科协青年人才托举工程、湖南省湖湘青年英才，受聘为中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会常务理事。