工作面頂板涌水量預(yù)測的滲流與應(yīng)力耦合方法研究.pdf

1、自然界中的滲流現(xiàn)象天然地存在于兩種不同的介質(zhì)中：孔隙介質(zhì)和裂隙(縫)介質(zhì)。流體滲流模擬的連續(xù)介質(zhì)方法通常適用于多孔地質(zhì)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(zhì)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(zhì)假設(shè)則較難刻劃裂隙巖體的滲流特征。
　　 當(dāng)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(yīng)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(yīng)力平衡狀態(tài)會遭到破壞，形成垮落帶、裂隙帶(導(dǎo)水裂隙帶)、彎曲整體移動帶三個帶，將導(dǎo)致巖體的滲透性能發(fā)生變化。從水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、開采擾動、巖體力學(xué)等諸多方面入手，研究采動條件下裂隙網(wǎng)絡(luò)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(rèn)識由于采動而引起的工作面的涌水機(jī)理，評價和預(yù)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(jìn)行了滲流與應(yīng)力耦合模型預(yù)測工作面頂板涌水

3、量的理論和應(yīng)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(yù)測進(jìn)行了理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，推導(dǎo)和討論了裂隙巖體滲透特征，研究了采動應(yīng)力場，對工作面回采過程中覆巖的垮落過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對應(yīng)力場與滲流場的相互關(guān)系進(jìn)行耦合研究。對裂隙巖體中所存在的滲流場與應(yīng)力場之間的相互影響稱為耦合作用，其主要表現(xiàn)在以下兩個方面：a、當(dāng)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(yīng)力狀態(tài)(即裂隙巖體賦存的應(yīng)力場環(huán)境)；b、裂隙巖體中應(yīng)力狀態(tài)的改變，又將影響巖體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變裂隙巖體的滲透性能，表現(xiàn)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(yùn)動破壞規(guī)律，預(yù)測了采動工作面的涌水量，數(shù)值模擬計算和根據(jù)經(jīng)驗公式計算得出導(dǎo)水裂隙帶高度65m，已經(jīng)發(fā)育到真武洞砂巖含水層內(nèi)，開

5、采直接溝通該含水層；為防止基巖風(fēng)化帶潛水含水層導(dǎo)入工作面內(nèi)，需留設(shè)的防水安全煤巖柱的高度是111.35m，而煤層頂板距基巖風(fēng)化帶含水層底板距離為163.09m，可以實現(xiàn)安全開采。并通過與實際涌水量進(jìn)行對比，檢驗了計算方法的正確性，為礦井安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。
　　 通過理論分析與模擬實驗研究，根據(jù)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(wǎng)絡(luò)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