（岩土工程专业论文）地下铁矿床灰岩顶板突水机理及注浆堵水效果实验与模拟研究.pdf

c i a s s j f i e di n d e x ： 工旦z 垒墨 u d c ： 舢| i f f l | f f i l j i i f | i f f l f i f i f i l f f f l y 18 0 2 9 6 7 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g m e c h a n i s mo f 给t e rb u r s ta n d g r o u t i n gr e s u l t st e s ta n d s i m u l a t i o nr e s e a r c h o n l i m e s t o n er o o fo f u n d e r g r o u n di r o no r em i n i n g k u a i l gs h u n y o n g p r o w a n g z a i q u a n a c a d e i i l i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 锣： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a i m n a t i o n ：j u n e2 01o u n j v e r s 蚵：q i n g d a ot e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 地下铁矿床灰岩顶板突水机理及注浆堵水效 果实验与模拟研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 一 盟鉴 丛望“ 凇砒 青岛理工大学工学硕士学位论文 口罩 口水 摘要i a b s 缸a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状。2 1 3 古家台矿区地质水文基本情况3 1 4 本文主要研究内容及技术路线6 第2 章流固耦合理论与多孔介质渗流8 2 1 渗流的基本理论8 2 1 1 达西定理8 2 1 2 渗流连续性方程8 2 1 3 渗流基本微分方程9 2 1 4 渗流的平衡方程l o 2 1 5 渗流基本微分方程的定解条件1 0 2 2 多孔介质的渗流与应力耦合。1 1 2 2 1 多孔介质的定义1 1 2 2 2 多孔介质的流固耦合理论1 2 2 3f l a c 3 d 流固耦合计算方法。1 3 2 3 1f l a c 如简介1 3 2 3 2n a c 3 d 流一固相互作用数值计算的主要方法1 6 第3 章岩土力学参数实验及分析1 9 3 i 单轴压缩试验结果】9 3 2 常规三轴试验结果1 9 3 3 抗拉强度试验结果2 0 3 4 充填体的土工试验结果2 0 3 5 项板灰岩注浆体和铁矿石的渗透性试验。2 0 3 5 1 试验原理2 1 3 5 2 试验方法和技巧2 2 3 5 3 试验结果2 3 3 6 顶板灰岩注浆体和铁矿石的孔隙率试验2 5 3 6 1 试验目的2 5 3 6 2 压汞仪工作原理2 5 3 6 3 试验用仪器、原材料及操作步骤和注意事项2 7 3 6 4 试验结果2 7 3 7 本章小结2 9 第4 章顶板突水数值模拟及分析31 4 1 几何模型及网格划分3 l 4 2 本构模型及岩体性质3 3 4 3 边界条件和初始条件3 3 4 4 数值模拟计算结果及分析3 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 4 1 自然条件下的数值模拟3 4 4 4 2 开挖l 层l ，3 ，5 矿房结果分析3 5 4 4 3 充填l 层l ，3 ，5 矿房结果及分析3 8 4 4 4 其它各开挖及充填步结果汇总及分析4 1 4 4 5 顶板应力、位移及塑性区分析4 5 4 4 6 孔隙水压力的变化情况5 7 4 5 不考虑渗流与考虑渗流计算结果分析及比较5 8 第5 章结论与展望6 2 5 1 结论6 2 5 2 展望6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作6 7 j l 殳谢6 8 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本文以古家台铁矿深部开采和注浆帷幕堵水为工程背景，在对古家台铁矿大 量地质资料调查和分析的基础上，进行了室内岩石力学试验、岩石渗透性试验、 压汞仪岩石空隙率试验、充填体土工试验，得到了各类岩石以及充填体的物理力 学参数以及渗透性参数。然后利用s i 瓜p a c 软件建立的真实三维地质模型，运用 大型岩土有限差分数值模拟软件f l a c 3 d ，模拟了真实矿体开挖、填充对顶板的扰 动，分析了顶板的应力、位移、塑性区，判断了注浆顶板是否会发生透水事故。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 对矿山水文地质条件进行调查和分析后得知，矿体顶板灰岩的岩溶裂隙 较发育，且富水性强，对采矿构成很大威胁，因此确定项板为研究的对像，数值 模拟分析的目标。 ( 2 ) 通过f l a c 3 d 软件的学习，熟悉流固耦合理论，明确数值模拟需要的材 料参数。 ( 3 ) 通过对现场取得岩样进行的各类试验，得到了各类岩石的物理力学、渗 透性参数，为数值模拟提供了可靠的材料参数。 ( 4 ) 利用f l a c 3 d 软件提供的开挖以及填充功能，凭借f l a c 3 d 的强大的流 固耦合计算功能对真实的开挖填充过程进行模拟。 ( 5 ) 基于对流固耦合模型计算结果的分析，矿房项板和注浆灰岩顶板在扰动 下的塑性区都还没有贯通，注浆灰岩的隔水性能够得到保证。得出结论：不会发 生突水。 ( 6 ) 与不考虑渗流的情况作了简单的比较。 关键词：古家台铁矿；流固耦合；f l a c 3 d 数值模拟；项板突水 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e sf o u 血gc u r t a i n 狃dd e 印m i n i l l go fg u j i a t a ii r o nm i n ea sp r o j e c t b a c k g r o u n d b a s i n go na b u i l d a l l c em v e s t i g a t i o n sa i l da n a l y s i so fg e 0 1 0 百c a lm a t 舐a l s o f g u l i a t a ih o nm i n e ，v 碰o u sm e c h 枷c a lt e s t ，s u c ha s t r i a x i a lc o m p r e s s i o n ，t r i a x i a l p e m e a b i l i t ya n dg e n e r a lr o c km e c h a n i c st e s th a db ep u t t e du po ns 锄p l e s o ft h e 黟e b o d yr o o f ，g r o u t i n gr o o ef l o o r ，o r e a 1 1 df i l l i n gp u l l e d 丘o ms p o t g o tm e c h a n i c a l p a r 锄e t e r sv a l u 嚣a i l dg o th y d r a u l i cp a r a m e t e r s v a l u e so fa 1 1l c i n d so fr o c k sa n d b a c k 6 us e p a r a t e ly t h e ns u r p a cs o 仔w a r eg e n e r a t e sr e a l l yg e o l o 百c a lm o d e l t h e g e o l o 百c a l m o d e lt l l e nb el e a d e di n t ot h el a 玛e - s c a l eg e o t e c m c a lf i n i t ed i 胁e n c e n l l i n 耐c a ls i m u l a t i o ns o 脚a r ef l a c 3 df o rc “c u l a t e s i m u l a t e t h ed i s t i h b a l l c eo f c x c “a t i o na i l df i l l i n g b a s e do na i l a l y s i so fr o o fs 仃e s s ，d i s p l a c 锄e n t ，p l a s t i c z o n e ， d e t e m l i n ew h e 也e r 也ef l o o d i n ga c c i d e n tw o u l dh a p p e n t h em a i n l ys t l l d i e sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a r e rs t r i c ti i l v e s t i g a t i o n sa n da n a l y s i so nh y d r 0g e o l o 百c 2 l 1c o n d i t i o no f 也e m i n e ，l e a m i 工l g 也a tm eo r eo v e 订y i n gl 证1 e s t o n ec o n 诅i n sm u c hd e v e l 叩e df i s s u r e sa n d w a t c lt h e 黟e b o d yr o o fh a s 也em o s tt h r e a t e l l i n go nm i n i n g ，t h u sc o n f i i m e dt h e k e v s t o n eo fn 1 】加耐c a ls i i n u l a t i o na n a l y s i si st h er o o e 也et a r g e to ft h e 舢n 甜c a l s i i i l u l a t i o n ( 2 ) n 1 i d u 曲l e a m i n gt h ef l a c 3 ds o 脚a r e ，f - a m i l i a rw i 也也e 也e o 巧o f n u i d s 仃u 曲】r ei n t e r a c t i o n ，d e f i n e dt h em a t 砸a lp a r a m e t e rm en u m e c a 】s i m u l a t i o n w o u l dn e e d ( 3 ) b a s i n go na b u n d a n c ev 撕o u st e s t o nt h es 锄p l e sp u l l e d 缸i ms p o tg o t m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa 1 1 dh y d r a u l i cp a r 锄e t e r s “lh n d so fr o c ka n d b a c k f i l l p r o v i d e s m a t e r i a lp a r a m e t e r sv a l u er e l i a b l yf o rm en m n 耐c a ls i m u l a t i o n ( 4 ) t a k ea d v a n t a g eo f 也ee x c a v 撕o na i l df i l l i n g劬c t i o n s a 1 1 d p o w 吲h l c o m p u t i n gf c a n 】r e sf l u i d s 仇l c m r ei n t e r a c t i o np r 0 v i d e db yf l a c 3 d ，s i m u l a t em e r e 2 l l p r o c e s se x c a v a t i o na n df i l l i i l g 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) b a s e do n 也e 弛a l y s i so f 也ec o u p l i n gm o d e ls i m u l a t er e s u l t s ，g r o u t i n g l i m e s t o n em i n er o o fa i l dr o o fh a v en o tb eo p e n e du pb yp l a s t i cz o n e t h i sm e a n s 也a t i n l p 锄n e a b i l i t yc a nb ee n s u r e d s o ，c o n c l u d e dt 1 1 a tw a t e ro u t b u r s tw i l ln o to c 饥r ，t h e r o o f i ss a f e ( 6 ) m a d ea s i n l p l ec o m p 撕s o n 、i t ht h es i t l l a t i o nw i 也o u ts e e p a g e k e y w o r d ：g u j i a t a j 的no r e ；n u i d s 0 1 i dc o u p l i n g ；n u m 研c a ls i m u l a t i o no ff l a c 3 d ；w a t e rb u r s to f r o o f i i l 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪论 在我国，6 0 矿井事故与地下水作用有关 1 1 。自1 9 5 6 年到1 9 9 9 年，底板突水 发生达1 3 8 6 次，其中淹井2 0 0 余次，造成十几个亿的巨大经济损失，人员伤亡千 余人。金属矿山在露天转地下开采过程中，过渡层“突涌突冒”灾害是威胁其顺 利过渡开采的主要因素 2 1 。此外，在深埋长大隧道开挖过程中，突水灾害也十分 突出【3 4 】，一直是隧道地质灾害及超前预报的主要内容之一。随着矿山开采深度的 增加，水压不断增大，深部开采的水害问题日益严重【5 1 ，有些矿井因为底板水的威 胁而不能开采。目前全国6 0 0 余处国有重点煤矿中受水害威胁的矿井达2 8 5 处，占 4 7 5 ，受水害威胁的储量达2 5 1 0 t 6 1 。 另一方面，近2 0 年来，随着我国国民经济的迅猛发展，国内对钢铁的需求日 益加强，对铁矿石的需求量更是呈几何级增长趋势。自1 9 8 5 年起，国内铁矿石生 产己不能满足钢铁工业发展的需求。目前我国铁矿石的进口依存度己超过5 0 。 近几轮铁矿石价格谈判的艰难凸显了复杂条件下矿石的生产已经很大程度上制约 了国民经济的发展。 复杂条件下矿石的生产具体来说是指复杂大水矿床 7 1 2 】的开采。 受水害威胁的储量所占我国铁矿的比例及当前我国铁矿石的进口依存度决定 我们得向大水矿床要产量。相应的，突水也更加明显的威胁到矿产安全和工人的 生命安全。顶板突水机理的研究值得我们付出努力去弄清，以便于指导生产，保 障财产和生命安全。 采矿活动必然会造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤，这种损伤 又极大地改变了围岩的渗透性，从而导致了顶板、断层带或底板突水并造成安全 事故，为矿井生产的五大灾害之【l ”1 7 】。目前，工程技术人员往往把流体的影响行 为用一种作用力近似代替，忽略流体和力学的耦合作用，进而影响采矿的安全性 和持续性。实际上，地下水渗流以渗流应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分 布；同时岩体应力场的改变使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性，引起渗流场随 着裂隙渗透性的变化重新分布。通过对岩体渗流一应力耦合研究，有助于深刻认识 采动过程中顶板的破坏规律，有益于合理的确定防水方案。研究对工程实践具有 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 积极的指导意义。 1 2 国内外研究现状 矿井突水灾害的一种动力机理就是在采矿活动影响下，承压水沿隔水层的裂 隙通道涌入矿井。近几十年来，国内外许多学者对突水机理进行了探索，取得了 一些有益成果。对矿井生产起了积极作用。总体来说，国内外对金属矿山顶板突水 研究较少，主要集中在底板突水涌水方面。根据类比原理，即使是前人的底板突 水研究成果，我们也可以从中得到借鉴，获得启示，从而指导我们对顶板突水的 研究。因此下面也列举了一些底板突水的研究理论。 1 2 1 国外研究现状 世界上一些主要采矿国家，如美国、加拿大、澳大利亚以及俄罗斯等，由于 采矿过程中碰到的矿床水文地质条件远不如我国复杂，所以在顶板突水方面的研 究不多。在底板突水涌水方面有一些研究成果。 其中有【1 8 19 】：1 9 4 4 年，匈牙利的韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概 念，建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系。5 0 年代后，前苏联学者b 斯 列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论， 推导出底板理论安全水压值的计算公式。1 9 7 4 年，匈牙利国家矿业技术鉴定委员 会将相对隔水层厚度概念列入矿业安全规程，并对不同矿井条件作了规定和说 明。前苏联、南斯拉夫等国的学者这期间也开始研究相对隔水层的作用，包括采 空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。2 0 世纪7 0 8 0 年代末期，以c es a n t o s ，z t b i e m a w s k 为代表的岩石力学工作者 在研究矿柱的稳定性时，基于改进的h o e k b r o 帅岩体强度准则，引入临界能量释 放点的概念分析了底板的承载能力。随电子工业发展，8 0 年代后多种类型的岩溶 探测仪器迅速发展。这些仪器能较准确地探查采前底板岩溶发育特点及分布规律， 超前探测构造的导水性，并且向“无损”探测技术发展。 1 2 2 国内研究现状 我国早在上世纪6 0 年代就开始了底板突水规律的研究工作。在焦作水文会战 青岛理工大学工学硕士学位论文 时首次提出了突水系数( 就是单位隔水层厚度承受的极限水压值) 的概念，用于 作为突水预测预报的标准。 8 0 年代以后，随着突水事故日益严重和频率加快，我国学者通过大量观察和 试验总结出了我国的底板突水机理理论。其中有薄板结构理论，“强渗通道”说， “岩水应力关系”说，“关键层”理论，“下三带”理论。目前，这些理论还在指 导我国底板突水的预防和治理，为我国的采矿安全作出了巨大的贡献。 在顶板岩层破坏及顶板突水规律方面我国学者进行了深入的研究也取得了重 要成果，代表性的有“上三带”理论、关键层理论、“三图双预测法”等【2 0 。2 引。 “上三带【2 0 】，理论把上覆岩层由于开挖引起的指向开挖区的移动与变形由下 而上依次分为冒落带、裂隙带和弯曲沉降带三个部分。冒落带内岩块之间空隙较 多，连通性较强，是上覆水、砂溃入井下的通道。裂隙带位于冒落带之上，弯曲 沉降带之下，具有与采空区连通的导水裂隙但总体连续性未受破坏。如果裂隙带 波及含水层，可将水导入井下。弯曲沉降带为裂隙带顶界直至地表的那部分岩层， 基本保持其原来的透水性能。目前国内以此理论为研究顶板突水机理的基础。 钱鸣高等 ，1 。7 】将对采场上覆岩层活动起全部或局部控制作用的岩层称为关键 层。要弄清开采时岩层由下往上传递的移动动态过程，并对岩层移动过程中采场 矿压、岩体中水的流动和地表沉陷等的变化进行有效监测与控制，关键在弄清关 键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关 _ 一 糸。 中国矿业大学的武强 2 8 】等提出了解决煤层顶板涌( 突) 水灾害定量评价的“三图 双预测法”。其它如杨天鸿【6 2 9 】利用自主开发的f r f p a 2 d 渗流与应力耦合分析系 统，对顶板随着开采的逐步进行，采动裂隙向上逐渐发展并最终与含水层连通， 从而发生顶板突水的全过程进行了数值模拟，直观地显示了顶板的变形、破坏过 程以及渗流场在整个岩体的运移过程及突水前后渗流场的变化情况。 1 3 古家台矿区地质水文基本情况 古家台铁矿【3 川为莱钢集团莱芜矿业有限公司下属的一个主要矿区。古家台铁 矿位于莱芜断陷盆地区，盆地的北、东、南三面为泰山、鲁山、徂徕山所环绕， 西面开阔低干并与泰山山前平原相接，北部口镇一带向北突出，呈一近东西向的 青岛理工大学工学硕士学位论文 狭长弧形向斜断陷盆地。盆地内为较低平的汶河冲积平原，仅在其东侧有一由北 东折向南西的矿山弧形背斜，呈低矮山丘凸起于盆地内，古家台铁矿即位于该弧 形背斜的西北翼。矿区内地势平坦，大致呈北东高南西低之势，东北部地表海拔 标高为1 8 0 一1 9 0 m ，向西南逐渐降低至1 6 3 1 6 5 m ，地形坡降低2 ，比高约2 5 3 0 m 。 矿体全长2 3 0 0 m ，矿体总体似层状，局部成囊状。赋存于大理岩和闪长岩接 触带中。走向s e 心州，倾向n e ，倾角3 0 4 0 。；矿体剖面最大倾斜延伸大于1 2 0 0 m ， 最小延伸8 2 m ；厚度为o 2 3 9 0 8 1 m ，平均厚度为1 4 9 6 m 。 盆地内地表水系较发育，位于矿区南侧的汶河自东向西纵贯全区，为区内主 干河流，最大洪峰流量达2 9 2 0 m 3 s 。其两侧分布着多条支流，其中流经矿区的有 嘶马河及方下河，两河均发源于盆地北部低山丘陵区，向南流经矿区汇入汶河。 上述河流在天然条件下是区内地表水和地下水的汇聚排泄通道，而在矿区开采条 件下则对矿坑涌水起补给作用。矿区地处季风气候区，年降水量平均为7 7 6 9 m m ， 最大1 4 0 4 9 i n i n ，最小4 9 0 9 i n m ，年降水日数约6 5 7 5 天，多集中在乒9 月份，约 占全年总降水量的6 6 以上，日最大降水量达1 6 8 8 m m 。可见古家台铁矿是一个 水文地质条件复杂的矿山。 现将各地层及其含水性分述如下： 1 ) 第四系冲洪积砂砾石孔隙潜水含水层 主要分布在河床及其两岩阶地内，其分布厚度受地形所控制，层厚一般为 1 0 1 5 m 。沿河床一般为粗砂及砾石，砾石直径为5 m m 左右，但是底部最大砾径可 达2 0 0 一3 0 0 m m ；河间阶地内的砂砾石层颗粒细，其上部l 一3 m 为砂质粘土，下部 为粉细砂及粗砂砾石。本层富含孔隙潜水，局部具承压性质，水位埋深1 3 m ，渗 透系数5 0 3 0 0 d d ，钻孔单位涌水量4 2 5 l s m ，为本区主要含水层之一。 2 ) 第三系红色粘土质砂岩粉砂岩隔水层 以半固结状的红色粘土质粉砂岩和砂岩为主。岩性松软，浸水后易软化崩解。 厚度变化很大，并受基底岩层古风化面的地形起伏控制。局部地段本层缺失，致 使上部第四系含水层直接与下伏灰岩含水层直接接触而形成所谓的“天窗”。本层渗 透系数仅0 0 0 0 2 5 o 0 0 0 3 2 m d ，钻孔单位涌水量仅0 0 0 0 1 7 o 0 0 0 0 3 8 l s m ，含水性 极微弱，为良好的隔水层。 3 ) 奥陶系中统马家沟组灰岩岩溶裂隙承压含水层 矿区内奥陶系灰岩属马家沟组的四、五、六段灰岩，岩性厚层灰岩夹薄层白 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 云质灰岩、豹皮状灰岩、泥质灰岩和蚀变大理岩。矿区内灰岩的厚度由数十米至 数百米不等。灰岩岩溶裂隙发育，富水性强，为矿区最重要的含水岩层。但岩溶 裂隙的分布极不均匀，故其含水性和导水性有很大差异。灰岩的富水性主要取决 于岩溶裂隙发育程度及其充填状况以及岩性与构造特征和埋藏条件等多种因素。 富水性的强弱一般有如下规律：灰岩埋藏浅的地段强于埋藏深的地段；水循环交 替条件好的部位( 如有泉出露或天窗部位) 强于差的部位；近闪长岩接触带的部 位强于远接触带的部分；岩性较纯的灰岩层段( 如四段和六段灰岩) 强于含杂质 较多的灰岩( 如五段灰岩) 。 灰岩的富水性在垂向上有随深度而递减的趋势。并大致可划分为如下三带： 1 5 0 m 标高以上地段岩溶裂隙相当发育，富水性很强，划为强富水段。1 5 0 i n 至 3 0 0 m 标高岩溶裂隙发育强度减弱，可视为中等富水段。3 0 0 m 标高以下岩溶裂隙 明显变弱，钻孔单位涌水量小于1 l s m ，视为弱富水段。岩溶裂隙发育的最大深度 达6 0 0 m 标高左右。 据钻孔抽水试验资料，矿区内灰岩的渗透系数k 值变化于0 0 4 4 6 2 5 9 1 “d 之间，平均为5 0 4 1 叫d 。导水系数l 洲值一般为l o o 一5 0 0 m 2 d ，平均为1 8 5 9 6 3 m 2 d 。 灰岩上部强富水段的k 值7 3 1 m d ，下部弱富水段的k 值平均为o 6 9 3 州d 。 矿区东部( 2 5 线以东) 灰岩富水性要强于西部，据东部钻孔抽水试验资料，其k 值平均为7 4 5 8 m d ，东部上段k 值平均为1 1 4 3 4 “d ，下段为2 0 5 5 州d 。 4 ) 燕山期闪长岩隔水层 闪长岩体是矿体的底板围岩。坚硬致密，含水性微弱，岩体的表面风化带中 只含有少量裂隙水，单位涌水量约为0 1 0 8 l s m ，渗透系数k 为o ，0 5 o 1 m d 。可 见是灰岩的良好隔水底板。 矿区地下水的补给来源 矿区地下水的补给来源包括侧向补给和垂向补给两部分。侧向补给主要是来 自南部山区灰岩补给区的地下水通过矿区西南面的弱透水边界补给矿区地下水。 其次是来自矿区西北侧的方下冶河断层弱透水边界的补给，因为在矿区疏干 排水条件下，断层内侧的水位大幅度下降，其外侧的地下水将通过这一边界形成 一定补给。此外，矿区东南闪长岩体浅部的风化裂隙水也会形成一定补给，但其 量甚微。 垂向补给主要来自矿区浅部的第四系孔隙潜水通过“天窗”补给下伏灰岩地下 青岛理工大学工学硕士学位论文 水。矿区内共有4 个“天窗”，即赵庄“天窗”、抽水主孔“天窗”、牛王泉“天窗”和杜 官庄“天窗”。这4 个“天窗”作为灰岩地下水的垂向补给源，相对来说其补给量要小 于侧向补给，但在矿区疏干条件下，当灰岩水位大幅度下降时，在“天窗”范围内可 能会产生大量的地表塌陷，从而将对矿区造成严重危害。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 本文以莱芜市古家台矿区帷幕注浆防水和开采为工程研究背景，通过试验确 定岩石材料力学参数及用有限差分软件模拟采动条件下顶板突水规律，以及注浆 与不注浆顶板突水的区别。以之为顶板防水提供决策依据，为安全生产保驾护航。 主要研究工作如下： 1 进行野外现场实地勘察，现场地质、水文及开采条件等各种资料收集工 作，以确定试验方案，对顶板岩体、注浆体和充填体材料制样进行常规力学试验、 渗透性实验等，以确定其物理力学指标。 2 了解大型有限差分软件f l a c 3 d 弹塑性分析的数值计算原理和流固耦合力 学机制。 3 用f l a c 3 d 对采场影响区域进行数值建模，分析考虑渗流的情况下顶板的 破坏深度，分析是否会发生顶板突水。 4 比较考虑渗流和不考虑渗流时开挖填充对项板安全性的影响。 5 结论和认识。 本文技术路线框图如下所示： 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 1 论文研究路线图 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章流固耦合理论与多孔介质渗流 地下水广泛存在于地下岩土体中，对地下工程影响很大。地下水与岩土体的 相互作用将使岩土体的强度及稳定性降低，产生各种不良的工程地质现象，如： 突水、道路冻胀、翻浆、滑坡、潜蚀、岩溶、地基沉降等。 2 1 渗流的基本理论 2 1 1 达西定理 早在1 9 5 6 年，法国工程师达西提出了著名的达西渗流定律【3 l 】，表明饱和土体 中渗流大小与渗流坡降成正比，即 v ：u ：一l c 堕 凼 ( 2 1 ) 式中 v 一渗透流速；，一渗透坡降；七一渗透系数 式中水头 是指总水头，为压力水头和位置水头之和。这里的渗流速度实际上 是一种假想的流速，是过水断面上的平均流速，并不是流体经过孔隙的真实流速。 将定律推广到非均质、各向异性性、多孔介质中，渗流运动满足方程【3 2 】 v = 一七v ( 2 2 ) 达西定理是以渗透水流为均质等温不可压缩流体层流为假定而得到的，即只 有在层流状态下才能成立。采用雷诺系数r 为层湍流的判别条件。雷诺系数r 与 水的流速、孔隙直径和水流运动粘滞系数有关。一般认为，当也不超过1 1 0 时， 水流呈层流状态。因此，人们认为也小于1 1 0 时，达西渗流定律适用 3 3 】。当超 过临界值1 0 时，渗透水流就进入紊流状态。 2 1 2 渗流连续性方程 该方程由质量守恒定律推出。下面来阐明质量守恒定律在渗流场中的应用。 从质量守恒原理出发，可知渗流场中在某一单元体单位时间内水量的增减速 率和进出该单元体流量速率之差相等。 y 图2 1 微分单元体示意图 可得渗流连续性方程： 一掣+ 掣+ 掣 一r = 昙伽蛐出 3 ， 其中，户一流体密度、血、缈、垃一微小立方体的棱长、刀一有效孔隙率、 垃一均衡时段。 上述方程考虑了地下水为稳定流时水与饱和多孔介质的向压缩变形。当地下 水是稳定流，并且认为水为不可压缩的均质液体，同时假设介质骨架为不可压缩 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 可压缩，由虎克定律 1 ，= 肜，推导出渗流 青岛理工大学工学硕士学位论文 斟巧豢 + 号卜等 + 斟疋警 - y c 口+ 蜊鲁 c 2 啕 式( 2 - 6 ) 中，口一多孔介质的体积压缩系数；一水的体积弹性压缩系数；疋、 k ，、t 一分别为多孔介质沿x 、”z 方向的渗透系数。 ( 2 6 ) 是各向异性含水层中地下水三维流的基本微分方程，表明在达西流动条 件下，单位体积、时间水均衡关系。 当为稳定流时，只要令掣：o ，即得到稳定流的基本微分方程 昙( e 要) + 晏( k ，罢) + 昙( 蜒罢) ：o ( 2 7 ) o x o x ( 却。c w o zo z 可注意到式( 2 7 ) 是稳定流连续性方程式( 2 5 ) 在达西定律条件下的变换。 当巧= 定，= k ，即土体为均质、各向同性介质时，式( 2 7 ) 可简化为如下拉普拉斯方 程。 算+ 罂+ 堡：o ( 2 8 ) 面十瓦丁十j 丁2 u 2 1 4 渗流的平衡方程 b i o t 从连续介质基本方程出发，建立了b i o t 固结理论，即渗流的平衡方程 3 4 1 ， v 。 v 2 v 2 v 2 = 0 = o y w g ( 2 9 ) 式中，“、，、w 一坐标x 、y 、z 方向上位移分量；a 、g 一泊松比和剪切 模量；q 、占，、占：一坐标x 、y 、z 方向上应变分量。 b i o t 固结理论考虑了孔隙水压力与土骨架变形间的耦合作用【3 5 】。 2 1 5 渗流基本微分方程的定解条件 由前面知道，基本微分方程是由地下水质量守恒定律和达西定律得出，必须 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 给出研究渗流区范围和研究渗流区以外对研究区渗流地下水的影响【3 6 3 7 】，即边界 条件。对于地下水不稳定流问题，还应给出地下水的初始状态，即初始条件。 ( 1 ) 边界条件 a 给定水头边界条件( 第一类边界条件) 边界上水头动态己知，表示为 l 岛= 日lg ，y ，z ，f )( x ，y ，z ) b i ( 2 1 0 ) 蜀是研究渗流区上的第一类边界；q 为已知水头函数，对于稳定流问题，鼠 与f 无关。 b 给定流量边界条件( 第二类边界条件) 如果在研究渗流区边界上的水头未知，渗流速度已知或水力坡度已知，表示 为 k 豢l 岛= 七谚引) ( x ”脚：( 2 1 1 ) 垦是研究渗流区上的第二类边界，日和珂分别为水头和边界的外法线方向，1 ， 为流入研究渗流区的渗流速度。当y ：o 时，为隔水边界，即足罢i 岛：o 。 d ，罩 c 潜水面边界条件 限于本文研究的对象和方法，本文不做探讨。 ( 2 ) 初始条件 渗流场的初始条件为 日g ，j ，z ，f 】，o = 日。g ，y ，z ，f ) ( 2 1 2 ) 2 2 多孔介质的渗流与应力耦合 2 2 1 多孔介质的定义 b e a l r 将多孔介质定义为 3 8 】：是“带有孔洞的固体”，且有以下特点： ( 1 ) 多相物质所占据的空间，并且在多相物质中至少有一相不是固体，它们可 能是气相或液相，或者二者都有。固相称为骨架。在多孔介质范围内除了固体骨 架的空间叫孔隙空间或空隙空间。 ( 2 ) 在多孔介质所占据的空间内，固相应遍及整个多孔介质，即每个表征体中 青岛理工大学工学硕士学位论文 必须有固体颗粒。多孔介质的一个最基本特点是：固体骨架的比表面积较大同时 构成孔隙空间的空隙比较狭窄。 ( 3 ) 构成孔隙空间的某些孔洞应当相互连通。 在岩石力学【3 9 】中把包含在多孔介质的表征体积单元内所有流体质点与固体颗 粒一起称为多孔介质质点。由多孔介质质点连续分布组成的介质称为多孔连续介 质。若表征体积单元内有充分多的孔隙和流体质点，同时表征体积单元相对于所 研究的工程区域又充分小，在研究岩体水力学时，可以按照连续介质研究工程岩 体的力学及水力学问题。 从上述定义和列出的特点可以看出，含有孔隙水的松散沉积物，含有裂隙水、 遍布于整个含水层的细小节理、裂隙及含有岩溶水的微小溶洞、溶孔等都可以看 成多孔介质【4 们。可以在质点连续分布的假设条件下，按照多孔连续介质来简化研 究。 2 2 2 多孔介质的流固耦合理论 流固耦合即将流体计算与土体力学计算进行耦合分析。早在1 9 5 6 年t e r z a g l l i 提出了著名的有效应力原理，建立了一维固结模型，主要内容限于考虑一维弹性 孔隙介质中饱和流体流动的固结。此后b i o t 在此基础上取得了一些创造性的研究 成果：建立了较为完善的三维固结理论。从此以后，流固耦合理论的研究基本上 都是基于b i o t 的三维固结理论开展【4 1 1 。 对于可以看做多孔介质的岩体，其渗流特征与岩石的颗粒状况、孔隙率、水 力半径等有关【4 2 】，衡量的指标参数为渗透系数k 和给水度。其中为含水层的 释水能力，它表示当潜水面下降一个单位长度时单位面积的含水层在重力作用下 能释放出的水量。 开采工程，引起应力卸荷作用【4 3 1 ，多孔介质类岩石体产生应变，并反过来影 响岩体渗流状况。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 3 f l a c ，d 流固耦合计算方法 2 3 1 f l a c s d 简介 f l a c 3 d 是美国i t a s c a r 国际咨询与软件开发公司开发的三维数值分析软件 m 4 6 】，它是面向土木工程、交通、水利、石油及采矿工程、环境工程的通用软件 系统，是i t a s c a r 软件产品最知名的软件系统之一。计算过程为：在确定研究区 域的几何形状后，首先将该区域进行离散化处理，将其划分为若干个网格单元， 各网格单元之间通过节点连接，当某个节点受到荷载作用后，由节点的应力和外 力变化以及时间步长t ，利用虚功原理求得节点的不平衡力，然后将不平衡力重 新作用在节点上，进行下一个迭代过程，直到不平衡力足够小或节点位移趋于平 衡为止。 f l a c 3 d 的应用特点如下： 1 ) 应用广泛：f l a c 3 d 是帮助土木、交通、采矿、水利工程师进行分析、测试 及设计的连续介质程序，由于其分析能力并不局限于某一类特殊问题或分析类型， f l a c 3 d 得到了非常广泛的应用，其设计思想是针对任何需要连续介质力学分析的 岩土工程项目。 2 ) 运行速度快：基于显式差分法求解运动方程和动力学方程。用户可以指定 求解参数，从而最大程度的控制模型运行时间和效率。 3 ) 功能强大：f l a c 3 d 基于显式差分法求解运动方程和动力学方程。为岩土工 程提供精确有效分析，可以解决有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如： 分步开挖、大变形大应变、非线性及非稳定系统( 甚至大面积屈服失稳或完全塌方) 等。 目前f l a c 3 d 的持证用户遍布6 0 个国家，是世界上应用最为广泛的岩土分析 三维数值模拟工具之一。 f l a c 3 d 自身的优点： 1 ) 多种本构模型 f l a c 3 d 中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共包含了1 1 种材 料模型：1 个开挖模型n l l l l ，3 个弹性模型( 各向同性，横观各向同性和正交各 向异性弹性模型) ，7 个塑性模型( d r u c k e r p r a g e r 模型、m o r h c o u l o m b 模型、应 青岛理工大学工学硕士学位论文 变硬化软化模型、霍克布朗模型、遍布节理模型、双线性应变硬化软化遍布节理 模型和修正的c 锄粘土模型) 。 f l a c 3 d 网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允许指定材料参 数的统计分布和变化梯度。从而可以进行众多类型材料变形的力学模拟。 f l a c 3 d 中的网格生成器，通过匹配、连接由网格生成器生成局部网格，能够 方便地生成所需要的三维结构网格。还可以由别的软件产生网格然后用接口导入， 这就提供了比较灵活的产生和定义三维空间参数的方法。 2 ) 五种计算模式 静力模式。这是f l a c 3 d 的默认模式，通过动态松弛方法得到静态解。 动力模式。用户可以直接输人加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或 初始条件，边界可以分为固定边界和自由边界。动力计算可以与渗流问题相藕合。 蠕变模式。有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力应变时间关系： m a x w e l l 模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、脆性模型。 渗流模式。可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的 粘性流体的耦合。渗流服从各向同性达西定律，流体和孔隙介质均被看作可变形 体。考虑非稳定流，将稳定流看作是非稳定流的特例。边界条件可以是固定孔隙 压力或恒定流，可以模拟水源或深井。渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦 合，也可以单独计算。 温度模式。可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力。温度计算可以与静 力、动力或渗流计算耦合，也可单独计算。 3 ) 可用于连续介质大变形模拟，并可模拟出滑移面或分离面，同时还可模拟断 层、节理或摩擦边界； 4 ) 可模拟多种结构形式： ( 1 ) 对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点六面体单元模拟； ( 2 ) f 认c 3 d 包含有四种结构单元：梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。可用来模拟 岩土工