弱胶结覆岩采动裂隙储水空间演化规律与双渗流突（涌）水机理研究

Weakly cemented rock mass of western coal mining area in China easily induces roof water outburst(inrush) disaster, which seriously restrict the construction of mine safety and water conservation mining practice. However, water outburst(inrush) mechanism under the condition of mining and weakly cemented overlying rock is not yet clear, needing further study. The project is to be carried out in laboratory tests, numerical simulation, similar materials simulation, theoretical analysis, experimental verification and other means. Based on the laboratory test of microstructure , mechanical parameters and hydraulic parameters of weak cementation rock, water storage capacity, permeability and deformation characteristics of weakly cemented rock mass are studied. The particle flow method is used to analyze micro crack propagation process under the condition of external perturbations, clarify the weak micro-mechanism of cemented rock damage. The evolution law of rock permeability and mining-induced fracture storage space are studied in a combining way. Based on flow-solid coupling simulation test, the dynamic process of groundwater transporting from pores to fissures, fractured zone developing and water inrush is studied deeply. Then the double-seepage transforming mechanism of mining rock is clarified and the water inrush characteristic is revealed. The project research results enrich the weak cementation of overlying roof water outburst(inrush) mechanism, provides theoretical support for roof water disaster prevention and control work.

我国西部煤矿区弱胶结岩体极易诱发顶板突(涌)水灾害，严重制约安全矿山建设与保水开采实践，然而弱胶结覆岩采动条件下突(涌)水机理尚未明确，亟需进一步深入研究。本项目拟采用室内实验、数值仿真、相似材料模拟、理论分析、实测验证等手段开展研究。基于室内实验分析弱胶结岩体微观结构，测试其基本力学与水力学参数，研究原岩储水能力、渗透性能和变形破坏特征；运用颗粒流方法分析外力扰动下微裂纹扩展过程，阐明弱胶结岩体破坏的微观机制。综合运用数值/物理模拟与实测手段进一步研究覆岩内采动裂隙储水空间和岩体渗透性的演化规律。依托流固耦合模拟试验，分析开采过程中覆岩多物理场特征，研究孔隙水-裂隙水汇聚、导水裂缝带贯通的动态突水过程，阐明采动岩体储水空间双渗流转换机制，揭示弱胶结覆岩突水特征及双渗流突水机理。本项目研究成果丰富了弱胶结覆岩采动顶板突(涌)水机理，为矿井开展针对性顶板水害防治工作提供了理论支撑。

我国西部陕北、宁东、神东等多个煤田基地多数矿井开采侏罗系煤炭资源，主采煤层多受上覆地层直罗组和延安组弱胶结砂岩含水层的威胁，尽管含水层富水性弱，但经常发生砂岩突水事故，且有突水量大、持续时间长的双渗流突水特征。这种孔隙-裂隙双渗流突水问题成为我国西部矿区顶板水害防治和保水开采实践需要解决的重大难题。本项目采用室内试验测试、数值仿真、相似材料模拟、理论分析、实测验证等综合研究方法开展研究。首先以西部典型矿区弱胶结覆岩为研究对象，采集样品开展了薄片鉴定、X衍射实验、扫描电镜测试、CT扫描三维数字成像等室内实验，测定了弱胶结砂岩矿物组成、微观颗粒接触类型、胶结方式、矿物颗粒磨圆度和分选性等微观岩石学特征，分析了弱胶结岩体微观孔隙结构、孔隙类型、孔隙度等特征，评价了岩体储水性能和渗透性能；通过通过单轴压缩试验、三轴压缩试验分析测定了不同岩层中各类岩性的抗压强度，分析了强度及变形特征，测定了变形模量和泊松比，计算了粘聚力与内摩擦角，利用测得的力学参数开展了微观破坏数值模拟和采动覆岩破坏数值模拟试验，模拟了岩体微观破坏特征，揭示了微裂纹产生及扩展过程，阐明了弱胶结岩体采动微观失稳破坏机理，分析了弱胶结覆岩采动破坏特征；结合裂隙岩体渗流理论，采用数值模拟的方法研究了弱胶结岩石全应力-应变过，模拟分析了覆岩采动覆岩破坏和渗流变化规律，将导水裂缝带由下向上细分为不规则垮落带、规则垮落带、网络裂隙带、纵向裂隙带和弯曲带，并探讨了水在不同裂隙带的渗流特征，对导水裂缝带渗透性进行了纵向分带和横向分区；通过现场实测测定了导水裂缝带发育高度，利用数值模拟分析了弱胶结覆岩条件下不同采高、工作面斜长及不同胶结强度特征的覆岩采动破坏特征，获得了相应的导水裂缝带发育规律及特征；通过一元线性回归推导了弱胶结覆岩导水裂缝带高度计算公式，利用关键层理论研究了离层产生条件和发生机制，并分析了离层水形成机理；提出了“双层结构覆岩二次运动”的观点，系统总结了双层结构覆岩层运动规律；划分了采动覆岩破坏“五带”并详细阐述了覆岩“五带”的特征，运用数值仿真手段再现了“双导水裂隙带”和“双弯曲带”发展演化过程，揭示了覆岩裂隙带和离层形态变化过程及地下水贮存空间的演变机制，进一步分析了孔隙渗流到裂隙渗流的转换特征。研究成果为西部矿区弱胶结覆岩条件下水害防治提供了指导依据。