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对于地下资源开采工程而言(采矿工程、压裂工程、油气工程等),其所面临的天然岩体介质通常赋存于稳定的地应力及地下水环境之中,但在遭到开采扰动等外界因素干扰时,岩体周围所形成的不平衡的采动应力场会诱发岩体内部的大量微裂纹起裂、扩展和贯通,而贯通所形成的次生裂隙会在采动应力(正应力及剪应力)的进一步作用下发生压缩闭合及剪切滑移,从而造成岩体渗透性能的改变;岩体渗透性的变化同时也会影响岩体内水压力及应力场的分布,进而反作用于岩石破裂损伤及岩体裂隙的剪切失稳过程,最终造成岩体介质应力-水环境的失衡。此外,岩体裂隙的粗糙本质属性对其力学及渗流特征有着巨大影响,其因而会使得上述裂隙在水力耦合下的渗流及滑移失稳特征变得愈加复杂。由此可知,资源开采工程中岩体内采动裂隙的演化对地下水-地应力的平衡起着支配性作用,而掌握岩体粗糙裂隙在水力耦合下的渗流特性演化及滑移失稳机理对于资源开采过程中地下水体及围岩的稳定性控制都有着重要的理论及工程意义。本文以“水力耦合作用下岩体粗糙裂隙的渗流及滑移失稳机理”为主要研究课题,通过大量试验工作对岩体裂隙的粗糙特征、渗流及滑移失稳特性进行研究,并由此建立了岩体粗糙裂隙水力耦合模型并进行程序实现,最后运用该模型对煤矿开采地下水破坏-围岩滑移失稳进行了工程数值模拟研究。主要研究内容及结果如下:1)基于表面3D形貌扫描数据,编制裂隙三维开度分布计算算法,对裂隙几何特征进行定量表征。研究表明:裂隙几何特征由表面粗糙特征和内部几何特征共同决定;裂隙内部会存在孤立空腔域,其对裂隙渗流影响较小;裂隙接触域及连通空腔域在裂隙面间呈非均匀分布,是裂隙所受外部应力和内部水压的主要承载对象,两者共同决定着粗糙裂隙的水力耦合特性。2)通过不同粒径砂岩单裂隙水力渗透试验对粗糙裂隙渗流特性进行研究。研究表明:裂隙渗透率随外部围压增大呈非线性减小规律;不同粒径砂岩裂隙渗透特性差异较大,其无法由表面粗糙特性进行表征;反之,裂隙几何特性参数,包括有效力学开度大小e’m,接触比率ω和相对分形维数D*Λ,可对裂隙渗流特性差异性进行表征,三者随外部围压增大均呈指数型变化,其对粗糙裂隙渗透率的影响满足经验公式:k=e’2m/12(1-1.1ω)8(1+2/D*Δ)6/5此外,裂隙连通域面积非均匀分布的分形维数与裂隙初始水力开度e0和水力开度eh间存在关系,其可表示为:D=p(e0/eh)q另外,裂隙粗糙几何特性(初始水力开度e0,水力开度eh和表面最大轮廓高度ξ)对非达西渗流特征也存在影响,可建立三者对Forchheimer方程非线性系数B及临界雷诺数Rec的影响关系为:B=mp/eh3W2(e0/eh)n(logcξ/eh)d Re12E/m(1-E)(e0/eh)n(logcξ/eh)d3)通过建立粗糙裂隙凸起-空腔-水压概念模型,并采用应力平衡分析提出了粗糙裂隙的有效应力系数α,并结合砂岩裂隙水力渗透试验结果建立了粗糙裂隙有效应力模型。研究表明:裂隙连通空腔率可用于表征粗糙裂隙的有效应力系数α,其随围压σ3增长呈负指数减小,而随水压p增大呈指数型增大,三者满足经验关系式α=a+bexp(-cσ3+dp)。4)通过不同压缩应力下的粗糙裂隙渗流特性的数值模拟研究表明,裂隙几何特征的非均匀分布会造成裂隙内流体流速、水压及流线呈非均匀分布变化;随着压缩应力增大,沿流动方向的裂隙水压力的非均匀变化愈明显;在低流速时,裂隙内开度变化及接触域分布是造成粗糙裂隙非线性流动的主要原因。5)自主设计了岩体单裂隙直剪-渗流耦合试验方法,其弥补了现存方法的一些不足。之后采用该试验方法开展了不同围压及渗透水压作用下的岩体单裂隙剪切-渗流耦合试验,进而对粗糙裂隙剪切特性、渗流特性及水力滑移失稳特性进行研究。研究表明:裂隙剪切强度和残余强度随围压增加而增大,而法向剪胀位移变化则正好相反;在恒法向应力下,随剪切位移增加,裂隙渗透率呈现“减小-增加-再减小-稳定”四阶段变化,该变化过程与裂隙面微凸体力学变化相关;裂隙在剪切残余段的相对滑动会造成表面凸起物的剪断和磨损,其会堵塞渗流通道而造成渗透率下降,该影响作用可用剪切力的塑形功定量表征;在剪应力保持恒定时,水压的增大会造成裂隙的滑移失稳,滑移位移随水压增大呈非线性增长关系;剪切过程中AE数变化可预测剪切失稳过程中微凸体破损变化。6)通过开展不同围压及渗透下的砂岩岩石破裂渗流及失稳特性试验,对水力耦合作用下的岩石破裂损伤-微裂纹演化-宏观裂隙剪切滑移过程进行研究,同时分析该过程中的渗透率演化,并对水力作用下的峰后裂隙岩体的剪切失稳特征进行研究。研究表明:水压会明显弱化峰前区岩石的变形及强度参数,也会降低峰后区裂隙岩体的残余强度并加速失稳破坏;岩石在压缩破坏全过程的渗透率呈现“减小-突增-减小-稳定”的变化,其中峰前段的渗透率与岩石损伤变量D呈正指数变化关系,而峰后段岩体的渗透率则受裂隙面粗糙特性及裂隙凸起剪断磨损影响。峰后段裂隙岩体的剪切失稳特性受围压、水压、粗糙特性及裂隙倾角影响,可用F=f(σ1,σ3,Pt,β,φ)作为其水力剪切失稳的判别条件。7)在Barton-Bandis裂隙力学模型基础上,以前文试验结果为基础,完善了粗糙裂隙岩体渗流-失稳的水-力耦合模型,并结合离散元软件UDEC对模型进行了程序实现,接着通过具体算例对模型进行验证。研究表明:新建立模型可很好表征不同法向应力、水压非动态耦合、水压动态耦合及不同尺度下的裂隙渗透率演化及滑移失稳特征,模拟结果与第四章所开展的粗糙岩体裂隙剪切-渗流试验结果相吻合。8)运用新建立的粗糙裂隙水力耦合模型对煤矿开采地下水破坏-围岩滑移失稳进行数值模拟研究。研究表明:采场围岩岩体中压应力向拉应力的过渡区是岩体极易形成剪切失稳的“脆弱区”;裂隙岩体中垂直应力增大及水平应力的减小会引起高倾角裂隙的剪胀,进而造成垂向渗透率增大,但其同时也会压缩水平裂隙而抑制水平渗透率增加;裂隙岩体剪切失稳与外部应力、内部水压及岩体裂隙倾角发育特征有关,高倾角裂隙发育较多的岩体在采动应力下极易发生剪切滑移,相反,水平裂隙诱发的岩体剪切失稳则较弱。