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近年来世界各国都在积极寻求可再生替代能源，但是能源消费结构的改变是一个漫长的渐变过程，在未来很长时间内煤炭仍然是中国最主要的消费能源。为保障能源的稳定供应，煤炭生产安全至关重要。然而，深部煤层开采会面临顶板和底板地下水害问题，严重威胁煤矿的生产安全。准确预测矿井涌水量是解决煤矿安全隐患的重要措施之一，它需要精细刻画顶底板岩层结构，准确估算岩层孔隙度和渗透系数等重要的水文地质参数。因此，利用最新的理论与实验技术手段来预测矿井涌水量对煤炭安全生产意义重大。
本次研究依托华北邢东煤田为应用示范场地，以2#煤顶板下石盒子组砂岩含水层为研究对象，从矿区地质、水文地质的野外和井下调查入手，搜集整理了大量的矿井钻孔资料，采集了8组下石盒子组砂岩钻孔岩芯样本，采用扫描电镜观测砂岩微观孔隙大小、分布和连通性，综合利用分形理论、地下水渗流及尺度效应理论，探究钻孔岩芯的孔隙结构和渗透率之间的关系，从而获得砂岩在实验室尺度下的渗透系数。最后，采用升尺度方法确定2#煤顶板下石盒子组砂岩含水层的等效渗透系数，用于邢东矿2#煤顶板砂岩含水层的涌水量预测。取得的主要成果如下：
（1）利用扫描电镜图像，统计分析了下石盒子组砂岩的孔隙大小及分布特征，结合分形理论和达西定律，得到了孔隙介质渗透率预测模型，该模型将砂岩微观孔隙结构与宏观渗透率联系起来，实现了从砂岩孔隙结构分析到宏观渗透率预测的研究目标。
（2）引入迂曲度方程，考虑流体在孔隙介质中流动的迂曲效应，建立孔隙介质有效渗透率预测模型。迂曲度方程的引入提高了砂岩渗透率模型的预测精度和实用性。
（3）将下石盒子组砂岩孔隙-裂隙双重介质概化为等效多孔介质，采用升尺度方法得到邢东矿2#煤顶板砂岩含水层的等效渗透系数，用于矿井涌水量预测。该方法综合考虑了钻孔岩芯的孔隙-裂隙结构和砂岩含水层中的裂隙分布密度,为有效地估算含水层的等效渗透系数提供了一套新的方法。
（4）利用得到的孔隙-裂隙双重介质下的等效渗透系数对邢东矿2#煤顶板涌水量进行预测，结果表明：2#煤开采初期，裂隙率在0.02%~0.03%之间分布，涌水量预测值介于18.59~27.87m3/h。
本次研究首次建立了一套从砂岩微观结构分析到宏观渗透率计算，从等效渗透系数确定到矿井涌水量预测的研究方法。实现了通过利用钻孔岩芯，结合砂岩含水层可能的裂隙密度，来获取2#煤顶板砂岩含水层的等效渗透系数的研究目标，为邢东矿顶板涌水量预测和水害防治提供一套有效而实用的技术方法，也为孔隙-裂隙双重介质在矿井尺度下的概化与模拟做出了很好的尝试。由于孔隙-裂隙双重介质的高度非均质性和不确定性，对于更大尺度的区域含水层特征化及矿区大尺度的水害预测，还需要增加更多大规模的顶底板抽放水试验及区域地球物理勘察工作，以降低对区域含水层刻画的不确定性，确保对矿区水害预测的合理性和准确性。
本次研究依托华北邢东煤田为应用示范场地，以2#煤顶板下石盒子组砂岩含水层为研究对象，从矿区地质、水文地质的野外和井下调查入手，搜集整理了大量的矿井钻孔资料，采集了8组下石盒子组砂岩钻孔岩芯样本，采用扫描电镜观测砂岩微观孔隙大小、分布和连通性，综合利用分形理论、地下水渗流及尺度效应理论，探究钻孔岩芯的孔隙结构和渗透率之间的关系，从而获得砂岩在实验室尺度下的渗透系数。最后，采用升尺度方法确定2#煤顶板下石盒子组砂岩含水层的等效渗透系数，用于邢东矿2#煤顶板砂岩含水层的涌水量预测。取得的主要成果如下：
（1）利用扫描电镜图像，统计分析了下石盒子组砂岩的孔隙大小及分布特征，结合分形理论和达西定律，得到了孔隙介质渗透率预测模型，该模型将砂岩微观孔隙结构与宏观渗透率联系起来，实现了从砂岩孔隙结构分析到宏观渗透率预测的研究目标。
（2）引入迂曲度方程，考虑流体在孔隙介质中流动的迂曲效应，建立孔隙介质有效渗透率预测模型。迂曲度方程的引入提高了砂岩渗透率模型的预测精度和实用性。
（3）将下石盒子组砂岩孔隙-裂隙双重介质概化为等效多孔介质，采用升尺度方法得到邢东矿2#煤顶板砂岩含水层的等效渗透系数，用于矿井涌水量预测。该方法综合考虑了钻孔岩芯的孔隙-裂隙结构和砂岩含水层中的裂隙分布密度,为有效地估算含水层的等效渗透系数提供了一套新的方法。
（4）利用得到的孔隙-裂隙双重介质下的等效渗透系数对邢东矿2#煤顶板涌水量进行预测，结果表明：2#煤开采初期，裂隙率在0.02%~0.03%之间分布，涌水量预测值介于18.59~27.87m3/h。
本次研究首次建立了一套从砂岩微观结构分析到宏观渗透率计算，从等效渗透系数确定到矿井涌水量预测的研究方法。实现了通过利用钻孔岩芯，结合砂岩含水层可能的裂隙密度，来获取2#煤顶板砂岩含水层的等效渗透系数的研究目标，为邢东矿顶板涌水量预测和水害防治提供一套有效而实用的技术方法，也为孔隙-裂隙双重介质在矿井尺度下的概化与模拟做出了很好的尝试。由于孔隙-裂隙双重介质的高度非均质性和不确定性，对于更大尺度的区域含水层特征化及矿区大尺度的水害预测，还需要增加更多大规模的顶底板抽放水试验及区域地球物理勘察工作，以降低对区域含水层刻画的不确定性，确保对矿区水害预测的合理性和准确性。