工作面頂板涌水量預測的滲流與應力耦合方法研究.pdf

1、自然界中的滲流現象天然地存在于兩種不同的介質中：孔隙介質和裂隙(縫)介質。流體滲流模擬的連續(xù)介質方法通常適用于多孔地質體，目前常用的地下水模擬方法均基于地下水是在連續(xù)的地質體中流動，這并不一定適用于裂隙巖體；由于裂隙分布及其特征與孔隙差異較大，若流體滲流主要受裂隙的控制，對于一定尺寸的裂隙巖體，多孔介質假設則較難刻劃裂隙巖體的滲流特征。
　　 當煤層周圍賦存有含水層時，巷道的開挖及煤層的開采會造成巖體應力重新分布，特別是煤層被采

2、出之后，其上覆巖層與底板巖層的原始應力平衡狀態(tài)會遭到破壞，形成垮落帶、裂隙帶(導水裂隙帶)、彎曲整體移動帶三個帶，將導致巖體的滲透性能發(fā)生變化。從水文地質、工程地質、開采擾動、巖體力學等諸多方面入手，研究采動條件下裂隙網絡的滲流場及其演變規(guī)律，研究頂板冒裂誘發(fā)工作面涌水規(guī)律及其主要影響因素，對于正確認識由于采動而引起的工作面的涌水機理，評價和預測工作面涌水及其工作面涌水量非常必要。本文分兩大部分進行了滲流與應力耦合模型預測工作面頂板涌水

3、量的理論和應用研究。
　　 第一部分重點就采動裂隙巖體滲透性及工作面頂板涌水量預測進行了理論分析和數學推導，推導和討論了裂隙巖體滲透特征，研究了采動應力場，對工作面回采過程中覆巖的垮落過程進行了數值模擬，并對應力場與滲流場的相互關系進行耦合研究。對裂隙巖體中所存在的滲流場與應力場之間的相互影響稱為耦合作用，其主要表現在以下兩個方面：a、當裂隙巖體中有滲流發(fā)生時(即存在滲流場)，地下水滲流在裂隙巖體中引起的滲流作用力(包括靜水壓力

4、和動水壓力)將改變巖體中原始存在的應力狀態(tài)(即裂隙巖體賦存的應力場環(huán)境)；b、裂隙巖體中應力狀態(tài)的改變，又將影響巖體結構，進而改變裂隙巖體的滲透性能，表現為裂隙巖體中地下水滲流場的改變。
　　 第二部分針對榆陽煤礦2301工作面開采過程中遇到的頂水開采的具體問題，研究了煤層頂板含水層的富水特性及采動覆巖運動破壞規(guī)律，預測了采動工作面的涌水量，數值模擬計算和根據經驗公式計算得出導水裂隙帶高度65m，已經發(fā)育到真武洞砂巖含水層內，開

5、采直接溝通該含水層；為防止基巖風化帶潛水含水層導入工作面內，需留設的防水安全煤巖柱的高度是111.35m，而煤層頂板距基巖風化帶含水層底板距離為163.09m，可以實現安全開采。并通過與實際涌水量進行對比，檢驗了計算方法的正確性，為礦井安全生產提供了依據。
　　 通過理論分析與模擬實驗研究，根據采動對上覆巖層的破壞特征尤其是對滲透特征的改變，首次將裂隙帶劃分為網絡裂隙區(qū)、方向裂隙區(qū)和離層裂隙區(qū)；首次提出了考慮多層含水層充水及含水