充水煤岩边坡渗流—损伤耦合规律的研究 (1)

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1、致谢感谢国家自然科学基金项目：复杂因素耦合作用下露天高大边坡变形演化规律研究(50774046)和煤科总院青年创新基金项目：露井联采条件下煤岩体变形规律研究（2006QN07）联合资助。本文是在导师王来贵教授和王建国研究员的悉心指导下完成的，导师精深广博的学识、严谨的治学作风、豁达真诚的待人态度将使学生终生受益。导师对学生的无私关心和帮助，学生都将牢记在心。值此论文完成之际，谨向导师致以衷心的感谢和最崇高的敬意。我深深地感谢读博士期间在基础课学习和论文的完成过程中，力学与工程学院及研究生学院各位老师给予我的指导和帮助。他们的讲授和指导，使我增长了知识，提升了分析问题、解决问题的能力。感谢

2、何峰副教授、郝哲教授、刘向峰教授、张立林硕士、于永江博士、李建新博士、李喜林博士、赵娜硕士等人的热情帮助和鼓励，他们对论文的研究思路及计算方法都提出了建设性意见，给了我很大的启发，在学习中每遇到问题时，是他们给予我及时的帮助和热心的鼓励，我会珍惜师兄弟间的友谊。感谢中国煤炭科工集团沈阳研究院祖国林副院长、纪玉石所长在工作及生活中给予的关怀与帮助。感谢神华准格尔能源有限责任公司、中国神华哈尔乌素煤炭分公司、哈尔乌素露天煤矿、呼伦贝尔东明露天煤矿领导及工程技术人员对论文现场工作的支持与帮助，使得论文的撰写获取了极其宝贵的第一手资料。感谢中国煤炭科工集团沈阳研究院岩土力学实验室的工作人员在实验

3、过程中所给予的支持与帮助；感谢澳大利亚GroundProbe公司对雷达现场监测的技术支持。在完成博士论文期间，父母、岳父母对我家庭给予了无私的照顾，是他们的默默付出，使我能够无牵挂的学习；同时爱人徐岩的理解和支持给了我奋发向上的动力，我只有更加努力地学习和工作，才能回报亲人的关爱。感谢本论文所引用文献的各位专家、学者对本论文的启发与帮助；向对我学业、事业及家庭给予无私帮助的老师、同事和朋友们致以深深的谢意。最后，对各位专家在百忙之中对作者论文的评审和指教致以诚挚的谢意！摘要中国露天采煤业发展迅速，格局发生重大调整，充水煤岩边坡在渗流场与应力场耦合作用下的变形失稳、灾害控制及监测监控等已成

4、为本领域研究的重大课题。论文结合现场实践，采用实验测试、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，对渗流－应力共同作用下充水煤岩边坡的损伤变形进行了系统深入研究，开发了渗流－损伤耦合模型的有限元程序，进行了数值求解，并同现场实测结果进行了对比分析。通过粘性土充水损伤直剪实验，得出不同围压和含水率的损伤度曲线，并拟合出围压－含水率－损伤度方程；通过孔隙水压力消散实验，得出粘性土某一消散度下的消散系数，拟合出相应孔隙水压力消散方程；通过充水作用下煤岩体损伤实验，得到了煤岩围压－孔隙水压破裂强度曲线，并拟合出围压－充水损伤强度方程以及煤岩损伤度与围压关系拟合曲线和方程，为煤岩边坡渗流－损伤耦合作用规

5、律研究提供了可靠的基础参数。研究渗流－应力共同作用下煤岩体的损伤变形，综合煤岩体初始损伤和损伤演化特性，建立了煤岩体渗流－损伤耦合本构模型及煤岩体渗透张量演化方程。从煤岩体结构力学出发，在建立孔隙－煤岩体介质的流固耦合模型的基础上，提出了基于压剪型和张开型裂隙的煤岩体渗流－损伤耦合数学模型，探讨了煤岩体断裂损伤效应对渗透张量的影响。基于损伤实验和渗流－损伤耦合理论研究结果，进一步开发了渗流－损伤耦合模型的有限元程序，并应用于哈尔乌素露天矿充水基底排土场和东明露天矿充水矿坑边坡的稳定性评价中。采用渗流－损伤耦合理论，从渗流力学和煤岩力学的角度对充水过程中煤岩的润湿过程、边坡渗流场分布、损伤

6、场的演化等进行了系统的数值研究，探讨了充水煤岩边坡变形机制。通过现场调查和钻探等手段，掌握了煤岩层位分布、弱层、断层等构造特征；并采用全站仪和地质雷达联合监测系统对现场充水煤岩边坡进行变形动态监测。监测结果证实了理论和与数值计算的可靠性，并进一步实现了边坡临滑预报。关键词：煤岩边坡；充水损伤；损伤实验；渗流－损伤耦合模型；有限元耦合判据；雷达预警系统。-I-AbstractWiththerapiddevelopmentofChina'sopen-pitcoalmining，thepatternhaschangedalot.Water-filledcoalslopeinseepage-st

7、resscouplingfield，itsdeformationinstability，disastercontrol，monitoringcontrolhasbecomeamajorissuesofthisarea.Combiningwiththepractice，thispaperstudiedsystematicallytheseepage-damagecouplinglawsofwater-filledcoal(rock)s