岩溶陷落柱突水量多种流态多重介质多场流固耦合模拟预测

岩溶陷落柱分布广、隐伏、难探测、突水量大，是煤矿安全生产的重大隐患。岩溶陷落柱突水量模拟预测对矿井排水设防及抢险救灾意义重大，但由于其多种流态水在多重介质中运移具有强烈非线性特征，预测难度较大，国内外研究甚少。在前人及前期工作的基础上，本研究将用现代模拟技术、实验手段测试原岩状态下以及采动条件下岩溶陷落柱柱体不同分区的渗透性变化规律，总结分析陷落柱柱体介质流-固耦合定量关系，分别建立不同流态不同介质地质原型的数学力学模型，以水量、水压为纽带，辅以各种状态的初边界条件，联立各单一模型，建立多种流态多重介质流-固及渗流－应力－损伤耦合总体模型，形成整体地质原型之数学模型，有限元解算求解，设计软件程序，求解陷落柱突水进入采空区时出水口流量即为所求突水量，实现岩溶陷落柱突水量模拟预测。以岩溶陷落柱突水实例分析计算验证上述突水模型的正确性和准确性。

开展了矿区陷落柱现场调查，采集岩样并进行了典型岩样岩石力学实验，同时加工制作了岩芯切片及电镜扫描微观图像。通过图像处理分析，建立了岩石不等径毛束管孔喉模型非达西快速渗流模型，从理论上分析并推导了非达西渗流与采场底板关键层破断突水判据。经统计分析全国综采条件下顶底板‘三带’规律，阐明规程的局限并提出相应经验公式，多个矿区应用表明了其准确性较高。在微变形及大变形条件下，进行了应力与渗透性能相关性实验，基于流固耦合规律，建立了多流态多重介质多场（渗流－应力-损伤耦合）流-固耦合力学模型。在开滦范各庄及冀中能源邢台矿进行了陷落柱及矿井涌（突）水量实例应用预测，验证了模型的正确性、实用性及合理性。