| 论文导读：国内的煤矿水文地质工作起步于20世纪50年代中期，突水防治思想和方法沿袭前苏联的大疏干开采经验。60年代末，全国范围内的大规模的水源勘察和开发，为中国水文地质科学研究积累了大量的资料和经验，对地下水岩溶形态、赋存方式以及运移规律等方面的研究有了质的飞跃，对基岩裂隙介质和岩溶发育与富水规律也有了一定的认识。张玉卓、Y.P.Chugh等研究了裂隙网络的流动网格和裂隙岩体渗流与应力的耦合机理。近20年来，随着试验能力和方法的不断提高，特定条件下岩石变形、渐进破坏过程中孔隙结构变化引起渗透演化规律及其宏观力学行为的响应研究逐步开展，许多学者进行了大量关于岩石应力应变渗透率方面的试验研究和理论探索工作。
关键词：突水，岩溶，机理，演化
国内的煤矿水文地质工作起步于20世纪50年代中期，突水防治思想和方法沿袭前苏联的大疏干开采经验。60年代末，全国范围内的大规模的水源勘察和开发，为中国水文地质科学研究积累了大量的资料和经验，对地下水岩溶形态、赋存方式以及运移规律等方面的研究有了质的飞跃，对基岩裂隙介质和岩溶发育与富水规律也有了一定的认识。论文大全。1964年原燃化工业部组织全国的煤矿防治水拔尖人才开展焦作水文地质大会战，水文地质工作者提出了突水系数的经验公式，并很快在全国推广使用。20世纪70年代末引入了欧美的地下水动力学的最新研究成果，拓展了地下水的研究范围和方法，由单一的稳定流抽水试验发展到非稳定流，评价、计算方法由解析、经验到有限元、边界元的数值模拟。80年代初期，李白英、高延法等提出“下三带”理论，王作宇、钱鸣高等学者从采矿工程角度相继提出“零位破坏与原位张裂”理论、板模型理论以及KS理论等等，对认识和评价非构造性突水问题具有指导意义。90年代至世纪初，尹尚先等提出陷落柱突水的圆壁桶模型，对煤矿充水陷落柱防水煤柱和隧洞岩溶管道安全厚度的了留设具有重要参考价值。
目前，这些成果为防治煤矿、隧道、水电站等地下工程突水起到了积极的指导作用，逐渐形成了包括防水煤岩柱留设、双降采煤、底板预注浆以及平导洞迂回绕行等突水防治方法。但相关研究均不能把岩体和水分开，没有考虑应力场与渗流场的耦合作用，尚且无法解释涌水量与岩层破坏程度的关系，与实际突水规律吻合度不甚理想。论文大全。
早在1856年，H.Darcy就在法国Dijon城的水源问题研究中创立了著名的Darcy定律。20世纪30年代，Jacob根据热传导理论建立了地下水渗流运动的基本微分方程，人们开始重点研究岩层的贮水性质及水头随时间的变化。20世纪50年代，Lomize首次提出平行板模型。此后50年内，Pomm、Snow、Louts、Wittke等相继进行了裂隙岩体水力学的试验研究，建立了裂隙岩体渗流模型，很大程度上推动了渗流力学的发展。随着工程岩体渗流的应用的发展，Schneebeli、Louts、Zeisler以及Rissler等建议用岩体渗透系数的实测方法取代传统的Lugeon压水法，提高了计算的准确度和精度。在裂隙岩体渗流与应力耦合方面，Oda[48]由裂隙网络三维几何形态出发，建立了较严密的裂隙岩体渗流特性与应力特性之间的关系。Erichsen[49]由岩体裂隙变形分析为基础建立裂隙岩体渗流与应力耦合分析程序，首次在耦合分析中不是以应力而是以应变为直接耦合对象，计算结果更符合实际，郭雪莽也提出过类似的建议。此外，张金才研究了煤层开采后底板岩体的破坏、渗流及突水规律。张玉卓、Y.P.Chugh等研究了裂隙网络的流动网格和裂隙岩体渗流与应力的耦合机理。论文大全。近20年来，随着试验能力和方法的不断提高，特定条件下岩石变形、渐进破坏过程中孔隙结构变化引起渗透演化规律及其宏观力学行为的响应研究逐步开展，许多学者进行了大量关于岩石应力应变渗透率方面的试验研究和理论探索工作。
在数值模拟方面，突水机理的研究的重点集中在渗流-损伤耦合作用上，基于FLAC、UDEC、RFPA等商业程序或弹塑性、断裂和损伤数值模型，引入介质断裂、损伤判断准则，并嵌入描述介质破坏膨胀区渗透性-损伤演化方程，以此来研究岩体突水过程的渗流-损伤耦合行为。基于传统的弹塑性理论和有限元的数值模型，其本质是通过判断塑性区或变形引起的渗透性的改变来定义突水通道。基于断裂力学理论的数值分析模型，一般以线弹性或非线性的断裂力学理论为基础，主要分为分离裂缝模型、分布裂缝模型和内嵌单元裂缝法三种，C.Wolkersdorfer和R.Bowell、K.Noghabai等[17]应用断裂力学方法或数值模型研究隧道开挖、矿山开采中的水力劈裂现象，分析了水压力对裂纹扩展的力学机制。连续损伤力学模型在岩体力学领域具有良好的应用前景，P.Valko和M.J.Economides用Kachanov和Perkins-Kern-Nordgren损伤模型模拟分析水压致裂作用下岩石的损伤和开裂过程。杨延毅、朱珍德和朱维申等建立了裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型，并成功应用于边坡渗流破坏、矿井突水灾害发生机制的模拟。
突变理论是70年代初发展起来的非线性科学，国外学者Henley最早应用突变理论研究了火山爆发、相变、浊流和断层运动的定性模型。在我国，最早介绍突变理论的是凌复华的中译本《突变理论入门》，近30年来，突变理论在我国岩石力学研究领域取得了广泛的应用，尤其在工程岩体突水机理研究方面。李顺才利用突变理论研究了破碎岩体中渗流灾变的非线性动力特征。王连国]基于尖点突变模型开展了煤层底板突水预测的研究。邵爱军建立了预测矿坑底板突水的尖点突变模型；中国生应用尖点突变原理分析了承压水底板关键层失稳突水的力学机制；王凯分析了单变量序列尖点突变模型及其稳定判据；周辉运用突变理论求得了井筒底板隔水层的最小理论安全厚度，并与典型案例实际情况基本相符。显然，突变理论已经在煤矿突水预测与防治领域取得了长足的进步，但在动力扰动诱发突水方面尚无相关成果，爆破、开挖等外力扰动诱发突水的动力灾害机制是突水机理研究的重要方向。
【参考文献】
[1] 禹群, 朱学愚. 地下水动力学[M]. 北京: 地质出版社, 1980.
[2] 肖楠森. 新构造分析及其在地下水勘察中的应用[M]. 北京:地质出版社, 1980.
[3]鸣高, 缪协兴, 许家林, 茅献彪. 岩层控制的关键层理论[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2003.
|
