承压破碎岩体蠕变-渗流系统非线性动力学特性研究

采矿工程中具有残余承载能力的破碎岩体，其变形、渗流行为对岩体内部液体和气体运移及地面建筑和环境会带来严重影响。蠕变和渗流的耦合作用常会加剧水及破碎围岩结构的失稳，引发突水及地表塌陷等动力灾害事故。用非线性动力学理论及方法研究破碎岩体中蠕变-渗流系统的动力学行为更能揭示问题的本质。研究内容包括：（1）通过破碎岩石的蠕变-渗流试验，研究不同的渗流速度、含水状态、岩性、外载荷水平及蠕变和渗流的先后顺序对蠕变性能参数的影响；（2）破碎岩体蠕变-渗流耦合动力学问题的几何描述法研究；（3）建立非稳态渗流作用下冒落堆积破碎岩体承压蠕变的非线性动力学模型，并对其动力学响应进行数值分析，考虑破碎岩体不同的孔隙度及渗透性参量对动力学响应的影响；（4）建立巷道原位破碎围岩在渗流及蠕变作用下的非线性动力学模型，分析不同孔隙水压力及支护阻力对动力学响应的影响，给出失稳的临界水压力条件。

研究工作完全按照原计划的框架进行。.1. 通过破碎岩石的蠕变–渗流试验，研究了不同渗流速度、含水状态、岩性、外载荷水平及蠕变和渗流的先后加载顺序对破碎岩石变形及渗透性能参数的影响，得到了：（1）饱水及自然含水破碎岩石的时间相关性孔隙率的变化规律；（2）同一级应力水平下有、无渗流对蠕变变形特性的影响；(3)同一级应力水平下时效性变形对渗透特性的影响；（4）同一级应力水平渗流与变形的加载顺序对蠕变渗流特性的影响；（5）不同岩性的岩样其变形渗流特性研究；.2. 研究了破碎岩体蠕变–渗流耦合动力学问题的几何描述法。对固体颗粒及流体建立了5种坐标来描述，并推导了Langrange与Euler坐标的变换关系式；针对采动岩体边界随时间变化的特点，建立一种岩层变形-水渗流耦合系统动力学模型，利用快速Lagrange分析技术构建了耦合系统动力学响应的算法并编制了相应的Fortran程序，通过两个算例分析了岩层的变形、破坏和流动过程，讨论了岩层渗透特性和渗流场演化.3. 建立了非稳态渗流作用下冒落堆积破碎岩体承压蠕变的非线性动力学模型，并对其动力学响应进行数值分析，考虑破碎岩体不同的孔隙度及渗透性参量对动力学响应的影响；.4. 自行研制了可考虑颗粒迁移流失的破碎岩体渗透试验系统，成功地测试了试样的骨料与填充物配比、轴向压力及含砂量等对破碎岩体渗流特性及其突变规律的影响；建立了破碎岩体骨架变形—固体颗粒迁移—水渗流的变质量流固耦合动力学模型，给出了破碎岩体渗流的质量守恒方程和动量守恒方程，导出了由于溶蚀、颗粒迁移等导致破碎岩体孔隙率变化的控制方程等。并用数值方法得到了破碎岩体孔隙率、渗透率、充填物流失速率、涌水量以及水压力等参数的变化规律。.5. 运用COMSOL Multiphysics软件，对不同开采方式下，不同孔隙水压作用下，覆岩蠕变的规律进行了系统的研究，研究成果可为“三下”压煤开采地表变形的预测预报提供一定的借鉴。