【摘 要】
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2001-2020年我国共发生煤矿水害事故1079次,死亡4391人,其中老空水害事故次数527次,死亡2936人。在全国发生的煤矿水害事故中,山西的老空水害最为典型。针对山西省20年来发生的煤矿老空水害事故,以煤矿区水文地质结构为基础,从顶板型、同层型、底板型和隔离型老空水害事故类型中筛选了最为严重的同层型老空水害事故作为具体研究对象,采用微观结构表征技术、水质检测、浸泡试验、渗流试验、物理模型
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:“矿井水害危险源辨识与动态评价技术”（项目编号:2017YFC0804101）； NSFC-山西煤基低碳联合基金:“积水采空区围岩导水通道形成机理及突水、疏放渗流规律研究”（项目编号:U1710253）；
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2001-2020年我国共发生煤矿水害事故1079次,死亡4391人,其中老空水害事故次数527次,死亡2936人。在全国发生的煤矿水害事故中,山西的老空水害最为典型。针对山西省20年来发生的煤矿老空水害事故,以煤矿区水文地质结构为基础,从顶板型、同层型、底板型和隔离型老空水害事故类型中筛选了最为严重的同层型老空水害事故作为具体研究对象,采用微观结构表征技术、水质检测、浸泡试验、渗流试验、物理模型开挖试验等一系列手段,结合理论分析、综合物探监测以及数值模拟等方法,阐明了煤柱弱化规律及裂隙渗流特征,揭示了积水采空区围岩（煤）导水通道形成机理,获得的主要认识如下:（1）基于采空区冒裂范围影响的含水层以及构造的特征,对充水水源和充水通道进行分类分析,给出点状、线条状和面状充水通道的水量补给关系式。（2）在突水模拟试验中,引入微震监测技术对试验过程中煤体裂隙扩展位置进行了定位,结果显示微震最密集的区域与模型的破裂突水位置较为吻合,微震监测技术可较好的表征应力和水压耦合作用下导水通道形成过程中的微裂隙扩展演化规律。（3）采用了瞬变电磁和直流电法作为辅助探测手段,从掘进迎头到前方水体之间煤柱的电阻率在不同阶段的变化可以判断,该区域经历了原始状态阶段、产生裂隙阶段、裂隙扩展直至连通水体的阶段。在产生裂隙阶段由于不富水所以电阻率反而增大;当裂隙中充满水时,电阻率迅速减小,在实际工程中可以用来对导水通道演化的实时动态监测,在裂隙发展过程中制定并实施水害预防措施。（4）不同酸度水溶液中煤块、煤粉的浸泡试验表明,煤样被浸泡前后的表面变化特征明显,2000倍下扫描电镜观测到煤样表面出现蜂窝状的小孔洞。通过对浸泡水样进行水化学分析,得到了7组水样的水化学组分,绘制了Piper三线图、离子比值图,分析总结了酸性水浸泡煤中溶出离子的成因以及变化规律。（5）裂隙煤样的渗流特征试验研究发现:渗流过程中可能会出现渗透率突增,加压使煤样裂隙“闭合”而出现渗透性降低阶段。在围压相同条件下,部分煤样也出现了渗透率不同程度的降低的现象,而且波动较大,从试验渗流出的水中可以观测到细小煤颗粒,基本可以判断该阶段发生了细小的颗粒流,煤样的细微颗粒通过渗流通道进行运移,在堵塞的过程中出现渗透性总体降低的特点,同时也为渗透性突增蓄势。（6）导水通道中裂隙尺度对渗流特征具有控制作用,裂隙尺度0.09mm时所引起的压力消减强度可达1.33MPa,裂隙尺度0.2mm时消压强度为0.2MPa。结合速度分布特征可以得知,当裂隙通道中具有一处或者多处小于0.2mm的裂隙时,对应的透水征兆表现为煤体变湿,煤壁上不足以形成明显涌水现象。（7）基于以上研究结果,推导了防隔水煤柱的临界破坏厚度的计算模型,通过室内大型试验并结合数值模拟的方法优化了模型计算结果。裂隙发育尺度对渗流具有控制效应、当裂隙中存在小于0.2mm宽度的裂隙时,认为煤柱受到渗漏作用影响小,表现在整体破坏;当裂隙宽度最小处大于等于0.2mm时,煤柱失稳破坏为渗流-应力耦合作用,模型结果在突水事故案例中得到有效检验。积水采空区导水通道形成机理的研究补充和扩展了煤矿突水理论,对煤矿安全具有重要的意义。该论文有图108幅,表27个,参考文献274篇。
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