基于非线性渗流理论的破裂岩体突水危险性量化方法

作     者：刘伟韬 赵吉园 孔德斌 顾玉龙 杜刚 王建刚 

作者机构：山东科技大学省部共建矿山岩层智能控制与绿色开采国家重点实验室培育基地 山东科技大学安全与环境工程学院 山西石泉煤业有限责任公司 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52304238) 山东省自然科学基金资助项目(ZR2023ME002)。 

主　　题：矿井突水 非线性渗流 突水危险性 量化方法 临界压力梯度 

摘      要：破裂岩体是主要的突水通道之一，突水发生时地下水在破裂岩体中表现出非线性渗流特征，但由于破裂岩体内部结构的复杂性，对其突水危险性的研究以定性分析为主，难以量化评价。为了能够找到一种破裂岩体突水危险性量化方法，开展了破裂岩体非线性渗流实验，研究了破裂岩体的内部结构参数和水在破裂岩体内的非线性渗流参数的变化规律，基于多孔介质非线性渗流理论和分形理论，推导了非线性渗流数学模型，确定了破裂岩体的结构特征参数、非线性渗流特征参数与破裂岩体的突水危险性分级三者之间的关系，建立了基于非线性临界压力梯度的突水危险性判据，结果表明：（1）非线性临界压力梯度可以作为评价破裂区域突水危险性的量化指标，该量化指标同时考虑了破裂岩体内部结构参数和地下水的非线性流动状态参数；（2）相对于传统的突水危险性确定方法只考虑完整岩层的阻水能力，建立的非线性临界压力梯度突水危险性判据考虑了破裂区域岩层和完整岩层在内的所有岩层能够承受的总的临界水压值，反映了所有岩层的阻水能力。建立的非线性临界压力梯度突水危险性判据创新性地尝试了将非线性渗流状态参数应用到突水危险性量化方法研究当中，是一种将破裂岩体的内部结构参数和地下水的流动状态参数耦合的突水危险性量化方法。