采空区裂隙岩体的垮落和渗流特性的数值模拟

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自然界中的岩体是岩块和裂隙组成的具有复杂结构的裂隙岩体。真实条件下的裂隙岩体的渗流规律一直以来都是岩石水力学界热切关注和研究的热点问题。煤矿采空区冒落带裂隙岩体是具有大空隙结构的岩体,其渗流问题直接关系煤矿的安全生产运行和矿区地下水资源的保护,也是裂隙岩体渗流问题之中需要进行深入研究的一个重要议题。基于裂隙岩体的渗流理论,本文利用离散元软件对大柳塔煤矿岩体中的煤层进行分步开挖模拟,并利用数字图像有限元的理念,建立与离散元数值计算输出结果图像相一致的背景网格,重构出其有限元模型进行渗流计算,以分析研究煤矿采空区在开采前后冒落带和导水裂隙带区域岩体结构的渗流特性的变化规律。本文提出了解决岩体开挖破坏之后的渗流计算的一种思路,该方法实现了离散元模型的有限元重构,充分利用了离散元软件对模拟岩体垮落方面的优势和有限元软件在应力渗流计算方面的优势,将两者结合起来,很好的解决了地下岩体开挖破坏的过程模拟和破坏前后的应力、渗流规律的数值模拟问题。本文取得的研究成果如下:1根据相关的地层岩性和地质资料,建立包含大柳塔煤矿2-2煤及其上覆岩层的二维和三维离散元裂隙岩体模型,这是进行该裂隙岩体模型数值计算,研究该区域岩体结构强度特性、变形特性和渗流特性及其应力渗流耦合作用下的岩体响应的基础。通过对该地质模型的二维离散元模拟,得到一个煤矿采空区在分步开采过程中的裂隙发展状况,确定了冒落带和导水裂隙带的发展高度以及在开挖过程中采空区地表中点位置的变形沉降过程。2利用图像处理技术计算一个矩形空间的采空区裂隙岩体的空隙率和空隙沿采空区底板高程的空隙率分布曲线,为计算地下水库的库容—水位曲线提供计算的基础参数。3依照数字图像有限元的技术思路,通过背景网格的方法,利用MATLAB编程实现了煤层开采后岩体的离散元模型输出结果图像经过重构转化为岩体的有限元网格模型。利用有限元计算软件ABAQUS计算分析开挖形成的大空隙岩体结构的渗流特性。
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