考虑质量流失的破碎岩体流固耦合动力学行为研究

Water outburst casued by geological structures such as Karst collapse columns and faults become one of the most heavy disasters and threaten the safty mining as coal mining develop to the deep underground. In recent years, some researchers began to study the geological structure outburst from the aspect of solid-fluid system instability for broken rock.However, the problem of broken rock seepage instability caused by mass loss have not atractted enough attention. This project carry out systemetically experimental and basic theoretical study on the coupling interaction of solid particle migration, fluid transport and broken rock deformation during the seepage of broken rock. The main research content including: designing a seepage system which can realize the solid particles migration, and testing the evolution rule of parameters invoving mass loss, seepage volume, porosity and permeability under different stress and water pressure, obtaining the relationship among porosity evolution and parameters such as mass loos, building a mechanical model of fluid-solid coupling dynamic for broken rock, and designing the coresponding programs, finally, obtainning the coupling system instabiltiy condition through numerical simulation and analysis, revaling the geological sturecture water outbust mechanism from the aspect of broken rock seepage instabiltiy due to mass loss.

随着煤矿开采向深部延伸，陷落柱、断层等含破碎岩体地质构造突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。近年来，有关学者开始从破碎岩体流固耦合动力失稳的角度研究地质构造突水机理，但是没有考虑质量流失对破碎岩体渗透特性的影响。本课题对破碎岩体渗透过程中，固体颗粒和流体的运移规律以及破碎岩体的变形之间的耦合作用开展系统深入的实验和基础理论研究。主要研究内容包括，利用自行研制的一种可实现固体颗粒迁移的破碎岩体渗透实验系统，系统测试试样在不同应力、水压等条件下的质量流失率、渗流量、孔隙度和渗透率等参量随时间变化的规律，分析得到破碎岩体裂隙演化与质量流失等参量之间的关系；在此基础上，建立一种考虑质量流失的破碎岩体流固耦合动力学模型，并设计耦合系统响应计算的算法和程序，通过数值模拟和分析，得到耦合系统失稳条件，从破碎岩体质量流失引发流固耦合系统运动失稳的视角揭示陷落柱、断层等地质构造引发突水的机制。

本课题对破碎岩体渗透过程中，固体颗粒和流体的运移规律以及破碎岩体的变形之间的耦合作用开展系统深入的实验和基础理论研究。主要研究内容包括，利用自行研制的一种可实现固体颗粒迁移的破碎岩体渗透试验系统，并配合离散元数值模拟，系统研究了破碎试样的渗透率演化特征，分析得到了破碎岩体裂隙演化控制方程；在此基础上，建立一种考虑质量流失的破碎岩体流固耦合动力学模型，并设计耦合系统响应计算的算法和程序，通过数值模拟和分析，得到耦合系统失稳条件，从破碎岩体质量流失引发流固耦合系统运动失稳的视角揭示陷落柱、断层等地质构造引发突水的机制。依据项目申请书内容，经过系统的研究，总体上达到了预期目标。研究取得了四个方面的代表性成果：(1)在传统封闭的渗透实验仪器基础上，研制并搭建了可考虑质量流失的破碎岩体渗透试验系统，利用该试验系统，配合离散元数值模拟，研究了破碎岩样在不同水压、颗粒配比以及粘结力等条件下的质量流失率、渗透率、孔隙率等参量随时间变化规律，渗透试验显示破碎岩体的渗透性变化可分为三个阶段，即初始渗流阶段、渗流突变阶段和渗流稳定阶段。 (2)在试验结果的基础上，基于双重孔隙介质模型，将陷落柱突水视为冲蚀作用下双重孔隙介质的变质量渗透问题，推导了陷落柱内流体和颗粒运移的控制方程，结合试验得到的孔隙裂隙演化控制方程，以及边界条件，建立了质量流失下破碎岩体流固耦合动力学模型。(3)在上述模型的基础上，以典型矿区陷落柱等含破碎岩体地质构造突水实例为模拟对象，考虑了陷落柱内裂隙的随机分布特征，将力学模型导入COMSOL Multiphysic建立了相应的数值计算模型，模拟了不同Weibull系数、含水层水压、初始颗粒浓度以及裂隙开度等参数条件下陷落柱的出水量变化规律，分析了冲蚀作用下陷落柱在不同时间段的变质量渗流特性及突水通道演化规律，并利用反速度分析方法，给出了不同条件下的模型突水时间。(4)研究了采动影响下陷落柱突水通道演化规律和塑性区变化规律，研究表明随着工作面向陷落柱推进，突水的危险性越来越大。项目研究成果为深部煤矿开采中的破碎地质构造突水防治提供了指导，同时也可为岩土工程中的管涌问题、石油工程中的出砂等工程问题提供参考和借鉴。