环境科学、安全科学采煤扰动下覆岩隔水层渗透性演变与工作面全生命周期涌水量预计:以红柳矿区为例

刘士亮; 王傲; 顾玉龙; 王祖禛; 赵吉园; 郑雨生; 王山林; 毛德强

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505507

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11514-11524 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505507

环境科学、安全科学

环境科学、安全科学采煤扰动下覆岩隔水层渗透性演变与工作面全生命周期涌水量预计:以红柳矿区为例

刘士亮 ¹ ,
王傲 ¹^,^* ,
顾玉龙 ² ,
王祖禛 ¹ ,
赵吉园 ² ,
郑雨生 ¹ ,
王山林 ¹ ,
毛德强 ¹

作者信息 +

Permeability Evolution of Overlying Rock Aquiclude under Underground Coal Mining and Prediction of Water Inflow throughout the Coalface Entire Life Cycle: Hongliu Mining Area

Author information +

文章历史 +

摘要

以宁东侏罗纪煤田红柳矿区为工程背景,在充分分析采煤扰动应力演化全过程规律基础上,选取两种典型覆岩岩性(粉砂岩和泥质砂岩),开展了采煤扰动全过程应力路径下煤层覆岩隔水层应力渗流耦合试验,构建了煤层覆岩隔水层渗透系数演化数学模型;结合MATLAB和COMSOL Multiphysics,建立了工作面全生命周期涌水量预测模型,并与现场实测涌水量进行对比验证。结果表明:经采煤扰动应力作用后的煤层覆岩隔水层渗透系数均较未开采前有所增加,渗透压对泥质砂岩渗透系数的影响显著大于粉砂岩,可能与其易冲蚀特性和层理角度有关;随工作面推进,涌水量近似呈幂函数增长,当推进200 m时,涌水量达到最大值42.1 m³/h,其初期增幅较大,中后期增幅逐渐减缓;当开采结束后,随采后时间增加,初期下降速率较大,中后期下降速率逐渐减缓甚至停止;工作面不同推进距离下数值模拟预计涌水量与实测涌水量的平均预测误差为4.14%,表明模型精度较高。基于此,进一步预测了工作面开采结束后不同时间段的涌水量。研究成果可为采煤工作面涌水量精准预测和采空区积水量过程预计等工程实践问题提供基础理论依据。

Abstract

Taking the Hongliu mining area of the Jurassic coalfield in Ningdong as the engineering background, based on a thorough analysis of the entire process of stress evolution caused by coal mining disturbance, two typical overlying rock types (siltstone and muddy sandstone) were selected, and then a stress-seepage coupling test of the coal seam overburden aquiclude under the entire process of coal mining disturbance stress path was carried out, and a mathematical model for the permeability coefficient evolution of the coal seam overburden aquiclude was constructed. A prediction model for water inflow throughout the entire life cycle of the coalface was established by combining MATLAB and COMSOL Multiphysics, and compared with the on-site measured water inflow values for verification. The results show as follows. The permeability coefficient of the coal seam overburden aquiclude after the action of the coal mining disturbance is all increased compared with that before mining. The influence of permeation pressure on the permeability coefficient of muddy sandstone is significantly greater than that of siltstone, which may be related to its erosion susceptibility and bedding angle. With the advancement of the coalface, the water inflow volume approximately increases in a power function. When the coalface advances 200 m, the water inflow volume reaches the maximum value of 42.1 m³/h, with a significant increase in the initial stage and a gradual slowdown in the middle and later stages. After the coalface is mined, with the increase of the post-mining time, the initial decline rate is relatively large, and the decline rate gradually slows down or even stops in the middle and later stages. The average prediction error between the predicted water inflow from numerical simulation and the measured water inflow at different advancing distances of the coalface is 4.14%, indicating that the model has high accuracy. Based on this, the water inflow at different time periods after the completion of mining in the coalface was further predicted. The study results can provide a theoretical basis for the precise prediction of water inflow volume in coal mining coalfaces and the prediction of the water accumulation process in goafs.

Graphical abstract

关键词

涌水量 / 应力渗流 / 数值模拟 / 煤层覆岩隔水层

Key words

water inflow / stress seepage / numerical simulation / coal seam overlying rock aquiclude

引用本文

引用格式 ▾

刘士亮, 王傲, 顾玉龙, 王祖禛, 赵吉园, 郑雨生, 王山林, 毛德强. 环境科学、安全科学采煤扰动下覆岩隔水层渗透性演变与工作面全生命周期涌水量预计:以红柳矿区为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11514-11524 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505507

LIU Shi-liang, WANG Ao, GU Yu-long, WANG Zu-zhen, ZHAO Ji-yuan, ZHENG Yu-sheng, WANG Shan-lin, MAO De-qiang. Permeability Evolution of Overlying Rock Aquiclude under Underground Coal Mining and Prediction of Water Inflow throughout the Coalface Entire Life Cycle: Hongliu Mining Area[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11514-11524 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505507

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

煤炭产业在国民经济、能源安全、工业体系和社会发展中具有不可替代的战略地位。近年来,煤炭资源开发重心日渐西移,西北矿区已成为中国重要的煤炭产区,但开采时往往面临着覆岩含水层厚度巨大、富水性不均一等显著工程地质问题,导致煤层顶板水害威胁日益突出^[1-5]。煤炭开采导致上覆覆岩发生断裂、移动、变形等现象,为地下水进入采煤工作面提供了导水通道,涌水量较大时甚至发生透水事故^[6-8],同时也为采空区积水提供必要条件。鉴于此,亟须研究采煤扰动下覆岩隔水层渗透性演变规律,以构建工作面全生命周期涌水量动态预测模型,其对煤矿安全开采、地下水资源保护与利用均具有重要的理论和实践意义。

采煤必将扰动上覆岩层进而影响上覆岩层渗透性,致使工作面顶板突涌水风险剧增^[9-11]。针对采煤扰动下上覆岩层渗透性演变规律和涌水量预测,众多学者开展了相关研究,通过分析矿区水文地质条件、开采扰动与水文地质响应等因素,总结出工作面顶板涌水的直接原因来自“采煤扰动应力-渗流响应-损伤演化”多场耦合作用下的上覆岩层采动破坏^[12-13],而上覆岩层采动破坏又将导致其渗透率呈现非线性跃变特征,直接决定了工作面涌水量的时空演化规律^[14-15]。其中,研究并预测工作面全生命周期涌水量对矿区灾害防治以及绿色矿山建设均具有重要意义。现有研究主要运用传感器钻孔原位监测^[16-18]、经典水文地质数学模型^[19-22]、相似物理实验^[23-24]、数值模拟^[25-28]、神经网络^[29-31]等方法揭示了上覆覆岩孔裂隙“三带”结构与渗透率空间异质性的关联规律,建立了基于裂隙分形维数、应力-应变状态的渗透率动态模型,进而预测了矿井突涌水量。然而,当前研究仍存在显著局限:其一,采煤工作面涌水量预计多基于静态采动条件,难以刻画工作面推进过程中覆岩渗透性随开采阶段的时序演化特征,导致突涌水风险预警滞后;其二,当前研究多聚焦于工作面开采过程中涌水量预测,往往忽略工作面开采结束后涌水导致的采空区积水研究,即缺乏工作面全生命周期涌水量预测研究。

基于此,在充分分析采煤扰动应力全过程演化规律的基础上,现选取两种典型覆岩岩性(粉砂岩和泥质砂岩),开展采煤扰动全过程应力路径下覆岩应力渗流耦合实验,构建煤层覆岩隔水层渗透系数演化数学模型;结合MATLAB和COMSOL Multiphysics,建立工作面全生命周期涌水量预测模型,并与现场实测涌水量值验证对比,以期为采煤工作面涌水量精准预测和采空区积水量过程预计等工程实践问题提供基础理论依据。

1 研究区概况

区域内大部分地表被第四系(Q)风积砂所覆盖,仅在西南部有零星基岩出露。区域内地层由老至新依次有:三叠系上统上田组(T₃_s),侏罗系中统延安组(J₂_y)、侏罗系直罗组(J₂_z),侏罗系上统安定组(J₃_a),古近系渐新统清水营组(E₃_q)和第四系(Q)。区域内主要含水层为侏罗系中统直罗组(J₂_z)和侏罗系中统延安组(J₂_y)含水层,岩性以灰、灰绿色细、中、粗粒砂岩为主,泥、钙质胶结、胶结程度较差,局部地段裂隙发育,厚度大、富水性较强、渗透性强。

区域内主要隔水层包括:直罗组和延安组底部砂岩含水层顶板的粉砂岩、泥质砂岩。基岩含水层主要通过基岩裸露区风化裂隙带间接得到大气降水补给外,另外含水层之间越流补给及断层破碎带微量补给也是其重要补给途径;直罗组砂岩含水层受松散层潜水间接补给。受褶皱构造的影响,侏罗系含煤地层各含水层水基本沿背斜轴部岩层倾向向两侧含水层运移。

据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及生产实践,该煤层开采后导水裂缝带高度往往发育至侏罗系延安组含水层和直罗组含水层,工作面仍存在涌突水事故的可能。

2 煤层采动覆岩扰动应力路径分析

随采煤工作面推进,采空区面积不断扩大,使得覆岩隔水层产生一定程度沉陷扰动,进而破坏其原岩应力状态。覆岩隔水层不同沉陷区域的应力状态,会受采煤工作面的推进而产生不同影响。对于采空区上方沉陷盆地中心部位的覆岩隔水层,在水平方向受压后造成垂直方向上产生一定膨胀,造成下沉系数增大;随开采进行,覆岩隔水层内应力和变形发展到一定程度后,内部的渗透固结完成,随后地表产生剧烈且集中的附加下沉,水平方向应力会产生一定程度减少,垂直方向应力被释放^[32]。基于此,绘制了采煤扰动应力路径下煤层上覆岩体应力路径(图1)。

将煤层上覆覆岩三轴等压加载至原岩应力状态的围压值(阶段①);基于此,继续加载轴压至原岩应力状态的轴压值(阶段②),使得煤层上覆覆岩应力状态达到煤层未开采前的原岩应力状态;基于此,通过加卸载轴围压来模拟煤层开采中(阶段③)和开采后(阶段④),按照③-1、③-2、④-1、④-2阶段的加卸载路径来进行研究。

在原岩应力状态基础上,继续加载轴压至上覆覆岩极限轴压值(阶段③-1),进而保持轴向位移不变,通过逐渐卸载围压直至略微高于覆岩渗透压以实现煤层采动中水平应力卸载过程模拟,同时测试煤层上覆覆岩应力卸载瞬态渗透性(阶段③-2)。最后,先卸载轴压至原岩应力状态轴压值(阶段④-1),并设计覆岩达到原岩应力状态后,保持轴向位移不变,然后分级加载围压,直至围压恢复至原岩应力状态,并测试此过程中每个分级阶段覆岩的渗透性(阶段④-2)。

3 煤层采动覆岩应力渗流耦合试验及其渗透性演变规律

3.1 煤层上覆覆岩隔水层单轴及三轴极限抗压实验

3.1.1 试样制备及试验设备简介

试验样品取自于红柳矿区405工作面4煤上覆隔水层岩体,通过井下钻取岩芯后加工成Φ50 mm×100 mm的标准试件。岩样共包括两组,分别对应粉砂岩与泥质砂岩两种覆岩,每组6个,共计12个,每组包括2个备用岩样。

单轴及三轴抗压实验的设备选用由TOP INDUSTRIE公司研制的STAC 600-600多功能岩石三轴试验系统,该试验机轴向最大压力可达300 kN,最大围压可达100 MPa(图2)。该试验系统可对岩样施加轴压、围压、孔隙水压和温度,进行不同状态下的三轴压缩、渗流等试验。

3.1.2 煤层上覆覆岩隔水层单轴和三轴抗压实验工况及步骤

为分别获取单轴及三轴抗压实验下各饱和岩样极限破坏轴压值,选取经饱和后的每种岩样各一个进行单轴及三轴抗压试验。岩石单轴抗压实验流程为:将标准岩样用热缩管包好后安装在TOP INDUSTRIE STAC 600-600多功能岩石三轴试验系统上,安装轴向位移引伸计和径向位移引伸计,调整轴向和径向位移引伸计的位置使位移引伸计具有初始读数;安置完成后将加载装置处于待加载状态,设置加载速率为0.05 MPa/s,加载应力直至岩样破坏;记录实验破坏荷载及实验现象,并对破坏后岩样进行描述。三轴实验在加压前的准备工作与单轴实验一致,在加压过程中则是需要在加载轴压前先将围压加载至1.375 MPa,卸压时先进行轴压卸载,再进行围压卸载,剩余步骤与单轴实验一致(图3)。

3.1.3 煤层上覆覆岩隔水层单轴及三轴抗压实验结果

单轴及三轴抗压实验破坏形态如图4所示。粉砂岩单轴抗压实验结果显示,其侧面的斜向裂隙数量较少但清晰可见,分布较为零散;泥质砂岩侧面纵向与斜向大裂隙数量较少,大部分裂隙较小且分布不均匀。两种岩样在进行单轴实验后均可视为完全劈裂破坏。粉砂岩三轴抗压实验结果显示,其存在1条显著贯穿岩样的斜向裂隙,裂隙数量不多,分布较为零散但清晰可见;泥质砂岩侧面存在2条显著贯穿岩样的斜向裂隙。

基于各岩样单轴及三轴实验数据,运用origin软件绘制了各岩样应力应变曲线(图5)。

经单轴及三轴实验测定,粉砂岩和泥质砂岩的单轴极限轴压值分别为21.0 MPa和17.9 MPa。在给定围压1.375 MPa下,粉砂岩和泥质砂岩三轴极限轴压值分别为32.9 MPa和29.5 MPa。考虑到各岩样的离散性,最终在进行应力渗流试验时选取极限轴压值为三轴试验所测最大轴压值结果的70%和单轴试验所测最大轴压值中的较大者。出于对试验安全性以及准确性的综合考虑,最终拟定粉砂岩和泥质砂岩应力渗流试验的最大轴压值分别为23.5 MPa和20.0 MPa。

3.2 煤层上覆覆岩应力-渗流耦合试验

采用STAC 600-600多功能岩石三轴试验系统进行上覆覆岩隔水层隔水性演化实验,研究了采煤扰动应力路径下煤层上覆覆岩隔水层渗透性演化规律。

3.2.1 采煤扰动应力路径下煤层上覆覆岩隔水层隔水性演化试验方案

根据实际工况制定各组采煤扰动路径下的渗透压、围压、轴压,选取实际工况中煤层上覆覆岩埋深350 m未受采煤扰动时的原岩应力;取岩层至地表平均密度为2 500 kg/m³,基于钻孔变形原位试验获取岩石泊松比0.2,进而计算得岩石侧压力系数为0.25,确定各工况三轴试验原岩状态下轴压值为5.5 MPa;选取各工况三轴试验孔隙水压力分别为0.25、0.50、0.75、1.00 MPa;基于此,确定了采煤扰动路径下煤层上覆覆岩隔水层隔水性试验方案,共计8组工况(表1)。

3.2.2 采煤扰动应力路径下煤层上覆覆岩隔水层隔水性演化试验步骤

本次试验注水仪器为PMHP 50-1000型高精密控压泵,泵的控制器内装有传感器回路,通过对出口处的压力进行实时测量,对泵的运行进行反馈控制,可实现高精度控压、控流。

采用三轴加压-卸荷法,先将经饱和后的岩样按采煤扰动应力路径加载至原岩应力状态,然后继续加载轴压至极限轴压,再逐步卸载围压至终值,进而通过主控面板施加孔隙水压力(即渗透压),并同步监测渗透系数变化。基于此,揭示采煤扰动应力路径下煤层上覆岩体隔水性演化规律。岩样两端设置透水板及水流通道,热缩软管密封确保液压油隔离,试验基本原理如图6所示。试验分两阶段控制:峰前轴压荷载控制,峰后轴向位移恒定条件下卸围压,全程保持围压始终大于渗透压。

试验过程中,对渗透率的测定采用瞬态法,即通过计算机全程对试验过程中的数据进行采集,间隔为1 s,岩样在不同应力应变状态下的渗透系数K为

(1)K=$\frac{\mathit{Q}\mathit{L}\mathit{\rho }\mathit{g}}{\mathit{A}\mathit{\Delta }\mathit{P}}$

式(1)中:K为岩样渗透系数,m/s;L为岩样高度,cm;A为岩样截面面积,cm²;ΔP为岩样两端渗透压差,MPa;Q为单位时间内平均流量,ml/s;ρ为流体密度,kg/m³;g为重力加速度,m²/s。

基于所测采煤扰动应力路径下煤层上覆覆岩隔水层渗透率,进一步绘制了不同岩性渗透率与应力-应变关系曲线,最终建立多因素(岩性、轴压、围压)与渗透系数的演化规律数学模型。

3.2.3 煤层上覆覆岩隔水层隔水性演化试验结果

1)采煤扰动应力路径下粉砂岩轴围压与渗透系数关系

绘制了不同渗透压下粉砂岩渗透系数随轴围压变化曲线(图7)。由图7可知,当渗透压一定时,粉砂岩在采煤扰动应力路径中的③-1阶段中,渗透系数呈上升趋势,但大小变化并不显著;而在③-2阶段中,渗透系数持续增大且变化显著。且渗透压越大,粉砂岩渗透系数越大,轴压对其影响越小。

2)采煤扰动应力路径下泥质砂岩轴围压与渗透系数关系

同理绘制了不同渗透压下泥质砂岩渗透系数随轴围压变化曲线(图8)。当渗透压一定时,泥质砂岩的渗透系数在采煤扰动应力路径中的③-1、③-2、④-1和④-2阶段中分别呈现先增大后减小、一直减小、先增大后减小以及先减小后增大的变化趋势。

当其他条件相同但渗透压不同时,渗透系数随渗透压增大先增大后减小,在渗透压0.50 MPa时达到最大值。整体上受渗透压影响较大,可能原因为:①砂质泥岩中多含泥质胶结物,易被冲蚀,致使孔裂隙连通度显著提高;②砂质泥岩常具有层理或定向排列的颗粒,渗透压方向与结构面一致时,渗透系数可能显著增大。

3.3 煤层上覆覆岩渗透系数演化解析模型

考虑到渗透压对各岩样渗透系数影响较小,故暂不考虑渗透压对渗透系数的影响。进一步考虑到采煤扰动应力路径中存在轴压上升但围压不变和围压下降但轴压不变的阶段,故将未知量定为轴压与围压的比值,简称轴围压比。并基于各岩样不同工况下应力渗流试验所测渗透系数和轴围压比值,拟合并获取了煤层上覆覆岩渗透系数演化解析模型。

3.3.1 各岩样渗透系数演化解析模型

将粉砂岩和泥质砂岩在不同渗透压、不同轴压、不同围压条件下的工况试验数据汇总,并基于Origin软件进行函数解析式拟合,拟合所获函数解析式如下。

(1)粉砂岩: y=-8.462 94×10^-4+7.724 92×10^-4x-2.949 91×10^-4x²+6.205 23×10^-5x³-7.957 23×10^-6x⁴+6.475 73×10^-7x⁵-3.354 44×10^-8x⁶+1.068 48×10^-9x⁷-1.899 9×10^-11x⁸+1.434 93×10^-13x⁹。

(2)泥质砂岩: y=6.326 32×10^-6-2.000 61×10^-6x+3.740 97×10^-7x²-2.747 89×10^-8x³+7.003 03×10^-10x⁴。

拟合所获粉砂岩和泥质砂岩的渗透系数演化解析模型曲线如图9和图10所示。

3.3.2 考虑岩样类型的渗透系数演化解析模型

将两种砂岩在不同工况下的试验数据汇总,并基于Origin软件进行函数解析式拟合,拟合所获函数解析式为:y=4.454 43×10^-6-1.148 15×10^-5x+8.049 73×10^-6x²-2.507 34×10^-6x³+4.237 29×10^-7x⁴-4.219 59×10^-8x⁵+2.549 23×10^-9x⁶-9.196 26×10^-11x⁷+1.824 51×10^-12x⁸-1.533 53×10^-14x⁹。拟合所获的煤层上覆覆岩渗透系数演化模型曲线如图11所示。

当渗透压一定时,覆岩隔水层的渗透系数在采煤扰动应力路径中的③-1、③-2、④-1和④-2阶段中分别呈现先减小后增大再减小、一直增大、先增大后减小以及一直减小的变化趋势。

结合煤层上覆覆岩采煤扰动应力路径(图1)分析可知,③-1阶段随着轴压增大,原有孔裂隙被压实,进而萌发激活、扩展原有缺陷并产生新微裂;③-2阶段随着围压减小,新旧微裂隙在应力作用下进一步扩展发育至连通大裂缝;④-1和④-2阶段随着轴压减小和围压增大,渗透系数先增大后减小。本质是岩石损伤状态从“弹性回弹主导的裂隙扩张阶段”向“围压-愈合主导的裂隙闭合阶段”的非线性转变,即峰值后煤层上覆覆岩隔水层的残余损伤程度和采煤扰动应力共同控制渗流的可逆性与最终稳态。

4 煤层采动覆岩塑性损伤特性及工作面全生命周期涌水量预计

煤层开采过程中不可避免地产生导水裂缝带,其发育高度往往较高,易贯穿主要含水层与有效隔水层,进而导致工作面涌水量发生显著变化。基于此研究现状,利用COMSOL Multiphysics数值模拟手段探究了煤层采动覆岩塑性损伤特性,即导水裂缝带发育高度是否贯穿有效隔水层,开展了煤层采动覆岩应力渗流耦合试验并获取了煤层上覆覆岩渗透系数演化解析模型,进而将解析模型导入COMSOL Multiphysics数值模拟软件中,建立工作面全生命周期涌水量预测模型,并基于某矿区现场实测数据,验证该预测模型的准确性,进一步运用该模型预测了工作面开采全生命周期的涌水量,为采空区积水难以测试的实际工程问题提供了解决方案。

4.1 煤层采动覆岩塑性损伤特性数值模拟研究

4.1.1 数值模型建立

为研究405工作面开采过程中导水裂缝带发育高度,根据405工作面开采条件及地质资料,使用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型,如图12所示。

模型尺寸长×高为400 m×248.2 m,其中x轴为工作面推进方向,y轴为岩层方向,4煤煤厚3 m,上方岩层从上而下可概化为25 m的延安组隔水层1,10 m的延安组含水层,50 m的延安组隔水层2,15 m的直罗组含水层,50 m的直罗组隔水层。而4煤下方的岩层从上而下可概化为4.2 m的粉砂岩1,50 m的中砂岩,35 m的粉砂岩2,6 m的砂质泥岩。开切眼定在离模型左侧100 m的位置,每步开挖20 m,共开挖10步,并在模型顶端施加4 MPa水压,底端施加0 MPa水压。将煤层底板的砂质泥岩设置为模型底部边界,初始条件设置的重力加速度为9.8 m/s²。因模型未模拟至地表,故本次模拟试验在模型上表面的边界条件设置除了有较大的边界线定外,同时施加5.0 MPa的垂直应力。底部约束垂直方向的位移,左右两侧约束水平方向的位移。各岩层参数选取地层深度范围内平均值,具体参数如表2所示。

4.1.2 数值模拟结果分析

选取宁东侏罗纪煤田红柳矿区405工作面分20步推进200 m过程中极具代表性的4步导水裂缝带发育高度(表3)来分析煤层采动覆岩塑性损伤特性。由表3可知,随着405工作面的推进,导水裂缝带发育高度不断增大,直至开采至180 m处导水裂缝带高度发育至最大值53.4 m,其与由钻孔双端封堵测漏装置测定钻孔漏失量而获取的最大导高值54.88 m较为接近。此时,导水裂缝带已贯穿延安组隔水层进入延安组含水层中,随后导水裂缝带高度不再增加,只是影响范围持续增大,整个工作面产生的顶底板塑性区整体上呈马鞍形。其必将引起隔水层渗透系数发生突变,从而引起工作面涌水量发生显著变化。

4.2 基于工作面全生命周期涌水量预测模型的数值模拟

基于煤层采动覆岩塑性损伤特性数值模拟研究结果可知,煤层上方覆岩隔水层隔水性已发生显著变化。基于此,运用MATLAB软件将煤层采动覆岩应力渗流耦合试验所获取数学模型导入COMSOL Multiphysics数值模拟软件中,建立工作面全生命周期涌水量预测模型,基于此模型并考虑到一般情况下稳定涌水量最大,因此以最大流速获取了工作面开采全生命周期的涌水量,结果如图13所示。

(2)Q=3 600VDH

式(2)中:Q为工作面涌水量,m³/h;V为涌水流速,m/s;D为工作面倾向长度,m;H为煤层采高,m。

由图13可知,随工作面推进,涌水量近似呈幂函数增长,当推进200 m时,涌水量达到最大值42.1 m³/h,初期增幅较大,中后期增幅逐渐减缓;当开采结束后,随采后时间增加,初期下降速率较大,中后期下降速率逐渐减缓甚至停止。基于数值模拟散点数据和Origin软件拟合了工作面开采全生命周期的涌水量预测模型。

(3)Q=46.907 51-$\frac{38.197\mathit{ }2}{1+{\left(\frac{\mathit{l}}{56.175\mathit{ }33}\right)}^{1.482\mathit{ }5}}$

(4)Q=6.846 45+$\frac{37.350\mathit{ }54}{1+{\left(\frac{\mathit{t}}{4.347\mathit{ }34}\right)}^{1.745\mathit{ }95}}$

式中:Q为工作面涌水量,m³/h;l为工作面开挖距离,m;t为工作面开挖完成后时间,月。

4.3 工作面全生命周期涌水量预测及现场实测结果验证

工作面推进至200 m时,由该矿区涌水量台账可得稳定涌水量约为42.3 m³/h。为进一步验证基于渗透系数演化解析模型的工作面涌水量数值模型的准确性,将本次基于数值模拟获取的沿工作面开挖不同距离所对应的涌水量预测结果与现场实测工作面开挖过程中涌水量进行对比分析,并基于工作面全生命周期涌水量预测模型预测了工作面开采结束后不同时间段的涌水量。基于此,绘制了实测值与数值模拟预测结果对比曲线(图14)。结果显示,工作面不同推进距离下数值模拟预计涌水量与实测涌水量的平均预测误差为4.14%,非常接近于实测值,具有较高预测精度。结合式(4)和图14可知,随着时间的延续,该工作面最终涌水量稳定于6.846 45 m³/h,工作面全生命周期涌水量变化趋势近乎呈现一个滞回圈,但采后结束阶段的稳定涌水量大于工作面未开前的稳定涌水量。

5 结论

(1)厘清了采煤扰动作用下煤层覆岩应力路径,开展了两种岩样8种工况条件下覆岩隔水层隔水性的应力渗流耦合试验,结果表明经采煤扰动应力路径作用后的煤层覆岩隔水层渗透系数均较未开采前有所增加,渗透压对泥质砂岩渗透系数的影响显著大于粉砂岩,可能与其易冲蚀特性和层理角度有关。

(2)基于煤层上覆覆岩隔水层应力渗流试验,建立了煤层上覆覆岩隔水层渗透系数演化解析模型,即y=4.454 43×10^-6-1.148 15×10^-5x+8.049 73×10^-6x²-2.507 34×10^-6x³+4.237 29×10^-7x⁴-4.219 59×10^-8x⁵+2.549 23×10^-9x⁶-9.196 26×10^-11x⁷+1.824 51×10^-12x⁸-1.533 53×10^-14x⁹。

(3)随着工作面推进,导水裂缝带发育高度不断增大,直至开采至180 m处导水裂缝带发育至最大值53.4 m,其与最大导水裂缝带实测数据 54.88 m 较为接近。涌水量近似呈幂函数增长,当推进200 m时,涌水量达到最大值42.1 m³/h,初期增幅较大,中后期增幅逐渐减缓;当开采结束后,随采后时间增加,初期下降速率较大,中后期下降速率逐渐减缓甚至停止;

(4)工作面不同推进距离下数值模拟预计涌水量与实测涌水量的平均预测误差为4.14%,表明模型精度较高。基于此,进一步预测了工作面开采结束后不同时间段的涌水量。研究成果可为采煤工作面涌水量精准预测和采空区积水量过程预计等工程实践问题提供基础理论依据。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	王海宾, 贾传伟, 张思华, 等. 彬长矿区矿井涌水量与开采参数关联性分析及预测研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2025, 42(1): 73-84.

[2]	Wang Haibin, Jia Chuanwei, Zhang Sihua, et al. Analysis and prediction of the correlation between mine water inflow and mining parameters in the Binchang Mining Area[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2025, 42(1): 73-84.

[3]	徐智敏, 陈天赐, 陈歌, 等. 煤层采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态计算方法[J]. 煤炭学报, 2023, 48(2): 833-845.

[4]	Xu Zhimin, Chen Tianci, Chen Ge, et al. Hydrogeological parameter evolution of coal seam roof and dynamic calculation method of mine water inflow[J]. Journal of China Coal Society, 2023, 48(2): 833-845.

[5]	曾一凡, 朱慧聪, 武强, 等. 我国煤层顶板水害研究现状与防控路径[J]. 煤炭学报, 2024, 49(3): 1539-1555.

[6]	Zeng Yifan, Zhu Huicong, Wu Qiang, et al. Research status and prevention and control path of coal seam roof water disaster in China[J]. Journal of China Coal Society, 2024, 49(3): 1539-1555.

[7]	刘伟韬, 刘士亮, 霍志超, 等. 顶板导水裂隙带发育高度模拟与测试技术研究[J]. 工程勘察, 2014, 42(11): 39-43.

[8]	Liu Weitao, Liu Shiliang, Huo Zhichao, et al. Study on simulation and testing technology of the height of roof water flowing fractured zone[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2014, 42(11): 39-43.

[9]	方刚. 榆横北区富水煤层与上覆含水层的水力联系[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(29): 12465-12473.

[10]	Fang Gang. Hydraulic connection between water-rich coal seam and overlying aquifers in northern Yuheng Mining Area[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(29): 12465-12473.

[11]	郑凯歌, 张俭, 孙四清, 等. 煤层顶板多种灾害发生机理与协同防治技术[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(5): 24-35.

[12]	Zheng Kaige, Zhang Jian, Sun Siqing, et al. Mechanisms and collaborative prevention and control techniques for various disasters in coal seam roofs[J]. Coal Geology & Exploration, 2025, 53(5): 24-35.

[13]	杨建, 蒲悦. 我国西部矿井涌水分布特征及充水模式研究[J]. 煤炭科学技术, 2025, 53(S2): 300-309.

[14]	Yang Jian, Pu Yue. Research on the distribution characteristics and water filling modes of mine water inflow in western mining areas of China[J]. Coal Science and Technology, 2025, 53(S2): 300-309.

[15]	Dai X L, Gao R, Du F, et al. Evolution and control of overburden fracture in extra-thick coal seam mining with hard roofs: ground grouting sealing and case study[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2024, 83(7). DOI: 10.1007/s10064-024-03762-2.

[16]	弓昊, 李铮, 胡皓宇. 基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2023, 5(1): 41-54.

[17]	Gong Hao, Li Zheng, Hu Haoyu. Determination of the damage degree of coal rocks and study on the evolution law of permeability based on Zhaogu No. 2 Coal Mine[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2023, 5(1): 41-54.

[18]	张玉, 于婷婷, 张通, 等. 复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 903-914.

[19]	Zhang Yu, Yu Tingting, Zhang Tong, et al. Experimental study of the permeability evolution of fractured mudstone under complex stress paths[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 903-914.

[20]	程香港, 乔伟, 李路, 等. 煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测[J]. 煤炭学报, 2020, 45(8): 2890-2900.

[21]	Cheng Xianggang, Qiao Wei, Li Lu, et al. Model of mining-induced fracture stress-seepage coupling in coal seam over-burden and prediction of mine inflow[J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(8): 2890-2900.

[22]	刘长友, 刘怀东, 陈毅琪, 等. 背斜构造区特厚煤层开采覆岩破断失稳规律及突水压架机理[J]. 采矿与安全工程学报, 2025, 42(2): 239-251.

[23]	Liu Changyou, Liu Huaidong, Chen Yiqi, et al. Law of overburden failure and mechanism of water inrush and support crushing in extra-thick coal seam mining within an anticline structural area[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2025, 42(2): 239-251.

[24]	李志刚, 王海生, 王作红, 等. 考虑渗流-应力-损伤耦合的煤矿灾害模型及其应用[J]. 能源与环保, 2024, 46(12): 60-65.

[25]	Li Zhigang, Wang Haisheng, Wang Zuohong, et al. Coal mine disaster model considering seepage-stress-damage coupling and its application[J]. China Energy and Environmental Protection, 2024, 46(12): 60-65.

[26]	方楚婧, 杨泽元, 范立民, 等. 神府南区直罗组含水层富水性研究[J]. 灾害学, 2022, 37(3): 219-226.

[27]	Fang Chujing, Yang Zeyuan, Fan Liming, et al. Water yield property of Zhiluo Formation aquifer in the southern Shenmu-Fugu Mine Area[J]. Journal of Catastrophology, 2022, 37(3): 219-226.

[28]	赵庆彪, 赵昕楠, 武强, 等. 华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理[J]. 煤炭学报, 2015, 40(7): 1601-1607.

[29]	Zhao Qingbiao, Zhao Xinnan, Wu Qiang, et al. Water burst mechanism of “divided period and section burst” at deep coal seam floor in North China type coalfield mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(7): 1601-1607.

[30]	连会青, 晏涛, 尹尚先, 等. 基于透明水文地质模型的工作面顶板水害预警研究[J]. 煤炭科学技术, 2025, 53(1): 259-271.

[31]	Lian Huiqing, Yan Tao, Yin Shangxian, et al. Research on early warning of roof water inrush in working faces based on a transpa-rent hydrogeological model[J]. Coal Science and Technology, 2025, 53(1): 259-271.

[32]	周振方, 董书宁, 董阳, 等. 蒙陕接壤区典型煤层开采顶板周期性变形破坏及涌水响应特征[J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52(8): 101-110.

[33]	Zhou Zhenfang, Dong Shuning, Dong Yang, et al. Periodic roof deformation and failure and associated water inflow characteristics during the mining of typical coal seams in the Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area[J]. Coal Geology & Exploration, 2024, 52(8): 101-110.

[34]	刘基, 靳德武, 王皓. 基于含水层-钻孔水量交换的疏水钻孔水量计算[J]. 煤炭学报, 2021, 46(9): 2995-3005.

[35]	Liu Ji, Jin Dewu, Wang Hao, et al. Water yield calculation of drainage boreholes based on water exchange between aquifers and boreholes[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(9): 2995-3005.

[36]	王晓蕾. 煤矿开采矿井涌水量预测方法现状及发展趋势[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(30): 12255-12267.

[37]	Wang Xiaolei. Present situation and development trend of coal mine discharge forecast method[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(30): 12255-12267.

[38]	黄欢. 矿井涌水量预测方法及发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(S1): 127-130.

[39]	Huang Huan. Prediction method of mine inflow andits development[J]. Coal Science and Technology, 2016, 44(S1): 127-130.

[40]	虎维岳, 闫丽. 对矿井涌水量预测问题的分析与思考[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(1): 13-18, 38.

[41]	Hu Weiyue, Yan Li. Analysis and consideration on prediction problems of mine water inflow volume[J]. Coal Science and Technology, 2016, 44(1): 13-18, 38.

[42]	万燎榕, 王洋, 张卫民, 等. 基于富水性分布的矿井奥灰含水层涌水量动态预测[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(8): 3057-3062.

[43]	Wan liaorong, Wang Yang, Zhang Weimin, et al. Dynamie prediction of mine water inflow in Ordovieian limestone aquifer based on water abundance distribution[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(8): 3057-3062.

[44]	杨涛, 张杰, 林海飞, 等. 隔水土层孔隙水压畸变与顶板突水灾变的时空响应特征模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(2): 317-325.

[45]	Yang Tao, Zhang Jie, Lin Haifei, et al. Spatial-temporal characteristics simulation of pore water pressure in aquiclude and roof water inrush[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2021, 38(2): 317-325.

[46]	李杨杨, 朱慧, 张士川, 等. 采动诱发的含原生裂隙覆岩运移及涌(淋)水时空特征分析[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(7): 129-139.

[47]	Li Yangyang, Zhu Hui, Zhang Shichuan, et al. Study on overlying strata containing primary fractures migration and spatialtemporal characteristics of water gushing (leaching) caused by mining field disturbance[J]. Coal Science and Technology, 2023, 51(7): 129-139.

[48]	赵金海, 朱伟龙, 孙文斌, 等. 基于钻孔数据的断层带结构数值模型构建及应用探索[J]. 煤炭学报, 2025, 50(3): 1458-1472.

[49]	Zhao Jinhai, Zhu Weilong, Sun Wenbin, et al. Numerical model construction and application exploration of fault zone structure based on borehole data[J]. Journal of China Coal Society, 2025, 50(3): 1458-1472.

[50]	周全超, 刘玲, 李继升, 等. 基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(S1): 174-182.

[51]	Zhou Quanchao, Liu Ling, Li Jisheng, et al. Solving hydrogeolo-gical parameters of thick sandstone based on various analytical and numerical methods[J]. Coal Science and Technology, 2024, 52(S1): 174-182.

[52]	李盼盼, 张磊, 杨远航, 等. 雅店煤矿地下水流数值模拟及涌水量预测[J]. 能源与环保, 2025, 47(1): 21-27.

[53]	Li Panpan, Zhang Lei, Yang Yuanhang, et al. Numerical simulation of underground water flow and prediction of water inflow in Yadian Coal Mine[J]. China Energy and Environmental Protection, 2025, 47(1): 21-27.

[54]	孙刚友, 胡清珍, 康钦容, 等. 基于大井法和地下水模型系统数值模拟方法的某矿坑涌水量预测对比分析[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(21): 9024-9031.

[55]	Sun Gangyou, Hu Qingzhen, Kang Qinrong, et al. Comparative analysis of water inflow prediction of a mine based on large well method and GMS numerical simulation method[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(21): 9024-9031.

[56]	李建林, 贺奇, 王树威, 等. 相空间重构后矿井涌水量序列地质学含义及其应用研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2024, 43(5): 43-52.

[57]	Li Jianlin, He Qi, Wang Shuwei, et al. Study on the geological meaning and application of mine water inflow series after phase space reconstruction[J]. Journal of Henan Polytechnic University (Natural Science Edition), 2024, 43(5): 43-52.

[58]	侯恩科, 夏冰冰, 吴章涛, 等. 基于CEEMDAN-BO-BiGRU的矿井涌水量预测研究[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(28): 12012-12019.

[59]	Hou Enke, Xia Bingbing, Wu Zhangtao, et al. Mine water inflow prediction based on CEEMDAN-BO-BiGRU[J]. Science Techno-logy and Engineering, 2023, 23(28): 12012-12019.

[60]	刘慧, 刘桂芹, 宁殿艳, 等. 基于VMD-DBN的矿井涌水量预测方法[J]. 煤田地质与勘探, 2023, 51(6): 13-21.

[61]	Liu Hui, Liu Guiqin, Ning Dianyan, et al. Mine water inrush prediction method based on VMD-DBN model[J]. Coal Geology & Exploration, 2023, 51(6): 13-21.

[62]	隋旺华, 狄乾生. 开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研究进展[J]. 工程地质学报, 1999(4): 303-309.

[63]	Sui Wanghua, Di Qiansheng. Study on interaction between soil mass deformation and pore pressure during subsidence by mining[J]. Journal of Engineering Geology, 1999(4): 303-309.

基金资助

国家自然科学基金面上项目(42472306)

国家自然科学基金青年科学基金(52304238)

PDF (12067KB)

访问

被引

详细

导航

Received	Published	Revised
2025-07-25	2026-09-18	2026-01-22
Online Date
2026-10-09

摘要