在采动应力场和渗流场耦合影响下防水煤柱时效性研究

在国内煤矿企业资源整合之后，未知采空区、小窑对整合后煤矿安全生产的威胁逐步凸显出来。之前包括现在使用的煤矿采空区防水煤柱留设主要是根据《煤矿防治水规定》，而规定只考虑了煤厚、水头压力、煤的抗拉强度和安全系数作为防水煤柱留设的依据，忽略了时间尺度对防水煤柱有效性的影响。现场实测显示，防水煤柱的有效宽度随着时间逐渐缩小，这一现象会在小窑破坏区内形成一定的水力联系，忽略这一现象也会对煤矿安全生产造成隐患。目前，国内外对防水煤柱的研究主要停留在过去的经验公式和渗流场方面数值模拟，没有考虑长时间采动应力场的反复作用下造成的破坏。因此，需要从采动应力场和渗流场（多物理场）耦合作用下，研究防水煤柱的时效性，并结合现场实测资料校验，建立基于时效性的防水煤柱设计准则。这一研究成果为资源整合后期煤矿安全生产提供指导，同时，也对改进现在使用的《煤矿防治水规定》中关于防水煤（岩）柱留设依据有着积极的意义。

2012年度完成了调研、专题论证、各种信息资料收集，详细研究的技术方案的制定;研究了多物理场（采动裂隙场和渗流场）耦合下矿山采动岩体渗流自然电场响应机理，建立了采动过程中顶板围岩水渗流和自然电位响应关系模型。2013年度基于上述模型进行了系统的室内实验。2013年12月-2014年4月在中煤甘庄煤业有限公司进行现场试验，分析了煤矿采空水的横向导通特征。2015年1月-2015年2月在同煤东胜色连煤矿进行现场试验，分析了采动过程中矿井水的垂向导通特征及渗流规律。.在理论方面，由于无法获得理想的煤柱时效性实现条件，采用实验室模拟，建立了采动过程中顶板围岩水渗流和自然电位响应关系模型，来代替之前的防水煤柱宽度和时间之间的关系。以自然电场对采动裂隙场和渗流场的响应规律的把握为基础，以自然电场对两场共存状态的表征——即对采动岩体渗流的响应规律的揭示为关键，开展了三场之间（自然电场-裂隙场-渗流场）问题的研究，建立了整个物理模拟的思路框架。进行了3类12项系统的室内实验，研究了岩体损伤过程、水的渗流交叉演变过程中自然电场的响应规律，由此实现自然电场对采动条件下岩体渗流系统演变过程的表征能力的发掘，为矿井水渗流灾变预警提供了方法。.同时分析了矿井采空水横向导通特征与采动过程中矿井水的垂向导通特征及渗流规律。研究了采空区、小窑破坏区在矿山压力作用下的裂隙发育形态，基于中煤甘庄煤业有限公司工作面顶板异常突水的预测、防治等问题，通过整理、总结、分析前人研究成果，结合数值模拟分析裂隙形态，作为分析导水通道的理论依据，并通过现场试验分析了煤矿采空水的横向导通特征，指导现场在选定的积水区域内放下近20万方采空水。分析了采动过程中覆岩破坏的力学结构形态及矿井垂向导水裂隙的发育规律及与发育高度，结合岩层移动角，对导水裂隙发育的范围及高度进行理论分析和计算，并通过现场试验，得出煤矿工作面采动过程中矿井水垂向导通及渗流规律：采动导水裂隙发育不是起于煤壁处，而是超前于工作面；采动过程中工作面上覆含水层的水会随着导水裂隙迅速往下运移，而后趋于稳定；根据含水层位置及垂向渗流规律可以判断采动矿井水垂向导通高度及规律。.取得的成果为发表相关论文6篇，其中被SCI检索1篇，EI检索4篇，已获得授权的发明专利2项， 1项发明专利处于实质审查阶段。