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煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测

发布时间:2026-04-07

主要完成人:程香港 所属单位:中国矿业大学

矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区,基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性,对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正,提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验,结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型,分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律,并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响,应力场及渗透性发生改变,且渗流场的扰动范围与应力场相比较大,渗透性的变化在不同方向上具有差异性,渗透系数在水平方向上的影响范围小,变化量大。在垂向上的影响范围大,但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现,试验模型分层位间距为l1=10 m,l2=30 m,l3=150 m及隙宽组合width=254,height=20,dpi=110 m时,较为符合研究区实际工程情况。最后,基于离散元软件裂隙渗流模型,结合模型间距及隙宽组合形式,对裂隙应力-渗流耦合计算模型的可靠性进行探讨,模拟结果与裂隙应力-渗流耦合模型计算的结果基本一致。

适用范围:

煤炭是我国主要能源之一,煤炭资源的开采关系到国民经济的发展,矿井突水水害严重制约着我国煤炭安全高效生产。据不完全统计,自2000年至今,煤矿突水事故频发,突水事故高达814起,死亡人数高达4 000多人,经济损失高达到400多亿人民币。煤矿突水不仅严重影响了矿井井巷开拓和回采工作,造成重大的人身伤亡和经济损失,而且还对矿区水资源与环境造成巨大的破坏。矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,因此,矿井涌水量的预测工作极为重要。

 

目前,我国在煤炭开采过程中形成了大量矿井涌水量预测方法,如解析法、水文地质比拟法、统计学法、数值法等。杜敏铭等概述了工程中常用的矿井涌水量预测方法,分析各方法的主要特点及适用性,提出了对矿井涌水量预测方法的展望。刘基等运用Visual Modflow软件构建葫芦素煤矿地下水流数值模型,研究了矿井涌水量随采掘进度的动态变化规律及回采期间矿井涌水量。黄欢综述了矿井涌水量的预测方法,并提出了矿井涌水量预测发展趋势,许多学者认为结合数值模拟的耦合模型成为预测矿井涌水量的主要发展趋势。因此,深入研究应力-渗透耦合作用对矿井涌水量的预测有着重要的意义。

 

国内外学者对应力-渗流耦合已经做了很多研究工作,BATCHELOR从理论上推导出了牛顿流体在平行板裂缝中的运动公式,实现了单裂隙应力-渗流耦合。张玉卓、张金才等基于孔隙弹性力学理论及修正的立方定律模型,推导出应力与渗透率的方程,通过有限元软件耦合应力与渗流的联系,研究了裂隙岩体的应力变化与渗透性变化的关系特征。白国良等基于立方定律,推导了以应变为参数的采动岩体等效渗透系数,利用FLAC3D软件建立了采动岩体等效连续介质流固耦合模型,研究了采动岩体的渗流特征及普遍规律。孟召平等通过室内试验研究了不同岩石应力应变与渗透率的关系,建立采后应力与渗透率的三维定量计算模型,研究了岩体应力、渗透系数的动态变化规律。朱红光等讨论了立方定律的前提条件并指出立方定律的局限性,提出了一个粗糙岩体裂隙的离散等效几何模型,为实际岩体裂隙中渗流行为的分析提供了新的手段。王志良等基于格子Boltzmann方法,考虑了裂隙面粗糙度的因素,提出了立方定律在粗糙裂隙面渗流的修正公式,为研究复杂粗糙裂隙的水力特征奠定了一定的基础。以往的矿井涌水量预测方法常用传统的井流公式,由于勘探阶段获取的水文地质参数为钻孔数据,数据较为离散,而且分布不均匀,未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大,精度较低。

 

笔者以陕西金源招贤煤矿首采区1307工作面为例,基于导水裂隙带发育和正交实验设计基本原理,建立修正后的采动裂隙应力-渗透耦合计算模型,研究了1307工作面采动渗透系数的动态变化规律并进行矿井涌水量的预计。结合实测涌水量,与不同的试验模型预计的涌水量进行对比,探讨出一种相对符合实际的间距及隙宽组合形式下试验模型,提出了一种矿井涌水量预测新思路,为顶板水害防治提供了依据。

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