煤矿水闸墙围岩渗流机理及失稳判据

摘要

我国煤矿水文地质条件复杂，矿井水害事故频发，设计并修建水闸墙是井下预防和治理煤矿突水的常用措施。但是，由于我国水闸墙的设计规范大多从墙体的结构稳定和力学强度出发，没有考虑水闸墙及其围岩的渗透性能，致使许多煤矿水闸墙发生渗漏、甚至突水失稳，威胁着矿井生产安全。国外学者虽然较早提出了抗渗安全系数的概念，但缺乏后续研究。
　　当水闸墙挡水压力较大或运行时间较长后，水闸墙及其围岩中的裂隙就会形成导水通道，使渗流得以绕过水闸墙而引发渗漏。本文运用理论计算与分析、室内物理模拟试验和工程案例分析等手段，围绕水闸墙及其围岩的渗透机理及失稳判据这一科学问题进行了系统、深入地研究，主要取得了如下成果：
　　⑴研究了煤矿水闸墙围岩渗流通道，提出了围岩发生贯穿性渗流时的临界水力坡度表达式，确定了水闸墙的挡水安全系数。
　　通过对封堵水体、水闸墙和围岩特性的分析，总结出可能发生渗流的三种通道形式，即水闸墙与围岩的交界面、水闸墙围岩中的导水断层和水闸墙围岩中的导水裂隙，并选取了具有代表性的、能够反映工程地质、水文地质和施工质量的评价指标，对三种通道形成的可能性进行了量化和评价，确定了围岩导水通道贯穿系数，即围岩中能够导水的裂隙之间相互连通、且从巷道迎水侧渗入围岩并绕流贯穿围岩从巷道背水侧溢出的程度。在计算水闸墙水力坡度稳定值的基础上，综合考虑了围岩导水通道贯穿系数、围岩渗透率和围岩岩体完整性系数，构建了围岩发生贯穿性渗流时的临界水力坡度表达式，并对获取各计算参数的可行性进行了说明。在统计现有水闸墙工程应用实例的基础上，分析了临界水力坡度和稳定水力坡度二者的比值与水闸墙是否挡水失稳之间的关系与规律，确定水闸墙挡水安全系数为0.6，当临界水力坡度与稳定水力坡度的比值大于水闸墙挡水安全系数的时候，水闸墙及其围岩将发生漏水现象，从而构成了理论判据。
　　⑵研制了水闸墙围岩渗流物理模拟试验装置，并配制了满足力学性质和水理性质的流固耦合相似材料。
　　在相似理论和水岩耦合理论的基础上，设计并研发了水闸墙挡水围岩渗流模拟装置。围岩模拟试验装置为一水平放置、轴向与巷道一致的圆形钢筒容器。在铺设围岩材料和预制板状水闸墙墙体的过程中，预留巷道空间并埋设传感器。试验进行过程中，在巷道封闭一侧供水加压以模拟封堵水体，在开放一侧进行围岩与巷道渗流现象的观测，并测量渗漏水量，全程通过传感器和自动采集系统获取围岩的孔隙水压力。水闸墙及围岩的模拟材料根据相似理论，按一定比例将混合砂、石膏、水泥和水充分拌和均匀，制成标样后依据单轴抗压试验和浸水试验的结果，调整并确定了满足力学性质和水理性质的相似材料配比。
　　⑶开展了不同围岩结构水闸墙及其围岩渗流物理模拟试验，获得了孔隙水压力、水力坡度和渗漏流量的变化规律。
　　模拟了不同水压、不同围岩结构条件下板状水闸墙的挡水过程，通过传感器和数据采集系统，实现了围岩岩体孔隙水压力和渗漏流量的监测，揭示了水闸墙围岩渗流形成的过程，获得了大量的基础数据。试验结果分析发现：水闸墙挡水后，均质围岩中孔隙水压力不断变化，通常经历五个阶段，即初始值维持阶段、上升阶段、峰值维持阶段、下降阶段和稳定阶段，其中孔隙水压力下降阶段的出现表明贯穿性渗流已经形成。当非均质围岩由松动圈及其外围围岩两部分组成时，外围围岩的孔隙水压力变化过程与均质围岩相类似，规律性明显，而松动圈内的孔隙水压力变化过程复杂多变，规律性不明显。通过孔隙水压力计算得到水力坡度，针对水力坡度的变化过程，明确了初始水力坡度、瞬时水力坡度、临界水力坡度、水力坡度峰值和稳定水力坡度之间的关系和区别，及其与围岩贯穿性渗流形成的关系，即水力坡度每达到一个临界值表明围岩中的渗流又向前推进了一步，达到峰值时表明渗流已贯穿水闸墙围岩溢出。根据模型装置渗漏水量的观测，分析了渗漏流量的变化规律，推算了围岩的渗透系数，比较了其与渗透试验测得的渗透系数之间的差别，并分析了原因。
　　⑷通过煤矿水闸墙工程实例验证了水闸墙挡水失效理论判据，验证了水闸墙围岩不发生渗漏的挡水安全系数值。
　　选取三河尖煤矿、韩桥煤矿和宏阳煤矿三个典型水闸墙工程实例，结合井下工程与地质资料，确定了围岩导水通道贯穿系数，运用水闸墙挡水失效的临界水力坡度理论判据公式，计算得到三个煤矿水闸墙的临界水力坡度与稳定水力坡度比值均大于挡水安全系数0.6，且比值越大，水闸墙漏水现象越严重，与工程实际一致，验证了水闸墙挡水失效理论判据的可靠性。此外，分析比较了工程实例与模型试验的渗漏流量变化趋势，揭示了水压对渗漏流量的影响规律，这从另一个侧面也证实了模型试验结果的可靠性。
　　对水闸墙围岩渗流的理论分析、模型试验和工程案例验证的结果表明，水闸墙的围岩渗流是水闸墙挡水失效的重要原因。本文对水闸墙围岩渗流规律的研究和认识对优化水闸墙设计，采取提高水闸墙阻水性能的措施有着重要的理论意义和实用价值。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景与意义 (Background, Objective and Significance)

1.2国内外研究现状（Current Research Works at Home and Abroad）

1.3存在的主要问题（Main Unsolved Problems）

1.4 研究内容及技术路线（ Research Contents and Technical Approaches）

2 水闸墙围岩渗流发生的判据

2.1岩体等效连续介质理论(Equivalent Continuum Theory for Rock Mass)

2.2水闸墙围岩渗流流网（Seepage Flow Net in Surrounding Rock of Bulkheads）

2.3 水闸墙围岩渗流动水力理论（ Dynamic Hydraulics of Surrounding Rock of Bulkheads）

2.4 水闸墙挡水失稳的理论判据（ Theoretical Criterion of Water Retaining Failure of Bulkheads）

2.5 水闸墙围岩导水通道分类和量化（ Quantification and Categorization of Water-conducting Pathway in Surrounding Rock of Bulkheads）

2.6 挡水失效水闸墙的统计和判据估值(Statistical Analysis and Valuation of Criterion of Water Retaining Failure of Bulkheads)

2.7 本章小结(Summary)

3水闸墙围岩渗流相似材料模型试验装置及方案

3.1试验理论基础(Experimental Theoretical Basis)

3.2相似材料的配制(Configuration of Similar Materials )

3.3试验装置的设计(Design of Experimental Setup)

3.4试验方案设计(Design of Experimental Scheme)

3.5 监测点布置及传感器标定（ Observation Points Layout and Transducer ’s Calibration）

3.6本章小结(Summary)

4 水闸墙围岩渗流模拟试验结果及分析

4.1 试验概述(Introduction)

4.2 均质围岩水闸墙挡水试验结果及分析(Results and Analysis of the Seepage Simulation Experiments in Homogeneous Surrounding Rocks of Bulkheads )

4.3 松动圈围岩水闸墙挡水试验结果及分析(Results and Analysis of the Seepage Simulation Experiments in Loose Circle of Surrounding Rocks of Bulkheads)

4.4讨论（Discussions）

4.5本章小结(Summary)

5水闸墙围岩渗流机理及失稳判据应用实践

5.1 三河尖煤矿高承压水闸墙防渗效果评价(Anti-seepage Effect Evaluation for Bulkheads with High-water-pressure of the Sanhejian Coalmine)

5.2 韩桥煤矿围岩渗漏水闸墙失效案例（Failure Case of Seepage from Surrounding Rock of Bulkheads in the Hanqiao Coalmine）

5.3宏阳煤矿围岩渗漏水闸墙失效案例(Failure Case of Seepage from Surrounding Rock of Bulkheads in the Hongyang Coalmine)

5.4本章小结(Summary)

6结论与展望

6.1主要结论(Main Conclusions)

6.2创新点(Innovative Points)

6.3展望(Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集