保水采煤隔水层渗流特性的理论与应用研究

我国煤矿水灾害十分严重，一方面传统治理需大量抽排矿坑水，投入大量的人、财、物力，造成很大的经济和环境负担，另一方面，矿区又存在天然缺水和人为造成的缺水问题，而且愈来愈严重，因此迫切需要深入研究采煤过程中与水资源保护和利用相关的理论和应用基础问题。本项研究紧抓水资源保护性煤炭开采技术的核心内容- - 隔水关键层渗流特性，明确控制坚硬岩层结构稳定和控制软、硬岩组合层破断后渗流稳定实现保水的两条技术路线。主要研究内容和思路为：建立隔水层的结构力学模型，进行强度理论分析，结合物理、数值模拟研究方法重点对其破断及裂隙演化规律深入研究；基于采动岩体渗流理论，在对采动隔水层非Darcy渗流特性试验测定的基础上，建立渗流控制方程，并深入进行非线性理论分析，初步探讨煤矿突水机理；开发提高隔水层隔水性能的加固技术，并将其成功运用到保水采煤的工程实践中，从而有力推动我国绿色采矿技术的发展。

针对我国煤炭开采水灾害十分严重，同时水资源破坏严重影响生态环境的现象，建立利用隔水关键层实施矿区水资源保护的力学模型，系统研究了破碎岩体压实过程中的渗流特性、隔水关键层的结构强度与裂隙演化特征、隔水关键层的渗流力学特性，和提高隔水关键层性能的技术与工程实践，具体研究内容及成果包括：. （1）对破碎岩体的渗透特性进行研究，所得实验数据及基本规律为隔水层隔水性能的理论分析和数值模拟提供重要依据。利用自行研制开发的破碎岩石压实渗透装置，联合先进的MTS 815.02岩石力学伺服实验系统，测定各种压力状态下典型破碎岩体的渗透特性。相关自制试验设备获得发明专利《弯曲岩样渗透试验装置》的授权，相关研究内容是专著《采动岩体蠕变与渗流耦合动力学》中的部分内容。. （2）建立了隔水关键层的基本力学模型，利用组合岩梁理论系统研究了隔水关键层的结构稳定性。在传统物理模型试验的基础上，引入了数字图像分析手段，同时进行位移场、应变场等全场力学特性分析，从结构稳定性角度分析了隔水关键层的隔水性能。相关研究内容是专著《干旱半干旱矿区保水采煤方法与实践》中的部分内容，是科技奖励《煤矿井下人员安全管理与救援支持系统》中的部分研究内容。. （3）建立了层状岩体渗流的非线性动力学模型，分析了隔水关键层渗流系统的平衡态特征，并给出了隔水关键层渗流系统的失稳判别条件。采用数值模拟方法，基于岩石渗流-损伤耦合模型，系统分析了贯通裂隙与渗流分布的基本特征，总结了隔水关键层的隔水性能。相关研究内容是专著《采动岩体蠕变与渗流耦合动力学》中的部分内容，是科技获奖《矿区水资源保护与水灾害防治技术》中的研究部分内容。. （4）提出了保护矿区水资源的隔水关键层原理与方法，并成功运用到神东矿区保水采煤实践中。揭示了采动覆岩导水裂隙通道发育规律，建立了保水采煤方法的隔水关键层理论基础，初步形成了适合神东矿区的保水采煤技术。相关研究内容是专著《干旱半干旱矿区保水采煤方法与实践》中的部分内容，是科技奖励《矿区水资源保护与水灾害防治技术》中的部分内容，是鉴定成果《建筑群下综合机械化矸石密实充填采煤与沉陷控制》（国际领先水平）中的部分研究内容。