巖溶突水機(jī)理分析
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論文導(dǎo)讀：國(guó)內(nèi)的煤礦水文地質(zhì)工作起步于20世紀(jì)50年代中期，突水防治思想和方法沿襲前蘇聯(lián)的大疏干開采經(jīng)驗(yàn)。60年代末，全國(guó)范圍內(nèi)的大規(guī)模的水源勘察和開發(fā)，為中國(guó)水文地質(zhì)科學(xué)研究積累了大量的資料和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地下水巖溶形態(tài)、賦存方式以及運(yùn)移規(guī)律等方面的研究有了質(zhì)的飛躍，對(duì)基巖裂隙介質(zhì)和巖溶發(fā)育與富水規(guī)律也有了一定的認(rèn)識(shí)。張玉卓、Y.P.Chugh等研究了裂隙網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)網(wǎng)格和裂隙巖體滲流與應(yīng)力的耦合機(jī)理。近20年來，隨著試驗(yàn)?zāi)芰头椒ǖ牟粩嗵岣撸囟l件下巖石變形、漸進(jìn)破壞過程中孔隙結(jié)構(gòu)變化引起滲透演化規(guī)律及其宏觀力學(xué)行為的響應(yīng)研究逐步開展，許多學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于巖石應(yīng)力應(yīng)變滲透率方面的試驗(yàn)研究和理論探索工作。
關(guān)鍵詞：突水，巖溶，機(jī)理，演化
國(guó)內(nèi)的煤礦水文地質(zhì)工作起步于20世紀(jì)50年代中期，突水防治思想和方法沿襲前蘇聯(lián)的大疏干開采經(jīng)驗(yàn)。60年代末，全國(guó)范圍內(nèi)的大規(guī)模的水源勘察和開發(fā)，為中國(guó)水文地質(zhì)科學(xué)研究積累了大量的資料和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地下水巖溶形態(tài)、賦存方式以及運(yùn)移規(guī)律等方面的研究有了質(zhì)的飛躍，對(duì)基巖裂隙介質(zhì)和巖溶發(fā)育與富水規(guī)律也有了一定的認(rèn)識(shí)。論文大全。1964年原燃化工業(yè)部組織全國(guó)的煤礦防治水拔尖人才開展焦作水文地質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)，水文地質(zhì)工作者提出了突水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并很快在全國(guó)推廣使用。20世紀(jì)70年代末引入了歐美的地下水動(dòng)力學(xué)的最新研究成果，拓展了地下水的研究范圍和方法，由單一的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)發(fā)展到非穩(wěn)定流，評(píng)價(jià)、計(jì)算方法由解析、經(jīng)驗(yàn)到有限元、邊界元的數(shù)值模擬。80年代初期，李白英、高延法等提出“下三帶”理論，王作宇、錢鳴高等學(xué)者從采礦工程角度相繼提出“零位破壞與原位張裂”理論、板模型理論以及KS理論等等，對(duì)認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)非構(gòu)造性突水問題具有指導(dǎo)意義。90年代至世紀(jì)初，尹尚先等提出陷落柱突水的圓壁桶模型，對(duì)煤礦充水陷落柱防水煤柱和隧洞巖溶管道安全厚度的了留設(shè)具有重要參考價(jià)值。
目前，這些成果為防治煤礦、隧道、水電站等地下工程突水起到了積極的指導(dǎo)作用，逐漸形成了包括防水煤巖柱留設(shè)、雙降采煤、底板預(yù)注漿以及平導(dǎo)洞迂回繞行等突水防治方法。但相關(guān)研究均不能把巖體和水分開，沒有考慮應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用，尚且無法解釋涌水量與巖層破壞程度的關(guān)系，與實(shí)際突水規(guī)律吻合度不甚理想。論文大全。
早在1856年，H.Darcy就在法國(guó)Dijon城的水源問題研究中創(chuàng)立了著名的Darcy定律。20世紀(jì)30年代，Jacob根據(jù)熱傳導(dǎo)理論建立了地下水滲流運(yùn)動(dòng)的基本微分方程，人們開始重點(diǎn)研究巖層的貯水性質(zhì)及水頭隨時(shí)間的變化。20世紀(jì)50年代，Lomize首次提出平行板模型。此后50年內(nèi)，Pomm、Snow、Louts、Wittke等相繼進(jìn)行了裂隙巖體水力學(xué)的試驗(yàn)研究，建立了裂隙巖體滲流模型，很大程度上推動(dòng)了滲流力學(xué)的發(fā)展。隨著工程巖體滲流的應(yīng)用的發(fā)展，Schneebeli、Louts、Zeisler以及Rissler等建議用巖體滲透系數(shù)的實(shí)測(cè)方法取代傳統(tǒng)的Lugeon壓水法，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度和精度。在裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合方面，Oda[48]由裂隙網(wǎng)絡(luò)三維幾何形態(tài)出發(fā)，建立了較嚴(yán)密的裂隙巖體滲流特性與應(yīng)力特性之間的關(guān)系。Erichsen[49]由巖體裂隙變形分析為基礎(chǔ)建立裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合分析程序，首次在耦合分析中不是以應(yīng)力而是以應(yīng)變?yōu)橹苯玉詈蠈?duì)象，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，郭雪莽也提出過類似的建議。此外，張金才研究了煤層開采后底板巖體的破壞、滲流及突水規(guī)律。張玉卓、Y.P.Chugh等研究了裂隙網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)網(wǎng)格和裂隙巖體滲流與應(yīng)力的耦合機(jī)理。論文大全。近20年來，隨著試驗(yàn)?zāi)芰头椒ǖ牟粩嗵岣�，特定條件下巖石變形、漸進(jìn)破壞過程中孔隙結(jié)構(gòu)變化引起滲透演化規(guī)律及其宏觀力學(xué)行為的響應(yīng)研究逐步開展，許多學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于巖石應(yīng)力應(yīng)變滲透率方面的試驗(yàn)研究和理論探索工作。
在數(shù)值模擬方面，突水機(jī)理的研究的重點(diǎn)集中在滲流-損傷耦合作用上，基于FLAC、UDEC、RFPA等商業(yè)程序或彈塑性、斷裂和損傷數(shù)值模型，引入介質(zhì)斷裂、損傷判斷準(zhǔn)則，并嵌入描述介質(zhì)破壞膨脹區(qū)滲透性-損傷演化方程，以此來研究巖體突水過程的滲流-損傷耦合行為�；趥鹘y(tǒng)的彈塑性理論和有限元的數(shù)值模型，其本質(zhì)是通過判斷塑性區(qū)或變形引起的滲透性的改變來定義突水通道�；跀嗔蚜W(xué)理論的數(shù)值分析模型，一般以線彈性或非線性的斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要分為分離裂縫模型、分布裂縫模型和內(nèi)嵌單元裂縫法三種，C.Wolkersdorfer和R.Bowell、K.Noghabai等[17]應(yīng)用斷裂力學(xué)方法或數(shù)值模型研究隧道開挖、礦山開采中的水力劈裂現(xiàn)象，分析了水壓力對(duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)機(jī)制。連續(xù)損傷力學(xué)模型在巖體力學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，P.Valko和M.J.Economides用Kachanov和Perkins-Kern-Nordgren損傷模型模擬分析水壓致裂作用下巖石的損傷和開裂過程。楊延毅、朱珍德和朱維申等建立了裂隙巖體滲流場(chǎng)與損傷場(chǎng)耦合分析模型，并成功應(yīng)用于邊坡滲流破壞、礦井突水災(zāi)害發(fā)生機(jī)制的模擬。
突變理論是70年代初發(fā)展起來的非線性科學(xué)，國(guó)外學(xué)者Henley最早應(yīng)用突變理論研究了火山爆發(fā)、相變、濁流和斷層運(yùn)動(dòng)的定性模型。在我國(guó)，最早介紹突變理論的是凌復(fù)華的中譯本《突變理論入門》，近30年來，突變理論在我國(guó)巖石力學(xué)研究領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，尤其在工程巖體突水機(jī)理研究方面。李順才利用突變理論研究了破碎巖體中滲流災(zāi)變的非線性動(dòng)力特征。王連國(guó)]基于尖點(diǎn)突變模型開展了煤層底板突水預(yù)測(cè)的研究。邵愛軍建立了預(yù)測(cè)礦坑底板突水的尖點(diǎn)突變模型；中國(guó)生應(yīng)用尖點(diǎn)突變?cè)矸治隽顺袎核装尻P(guān)鍵層失穩(wěn)突水的力學(xué)機(jī)制；王凱分析了單變量序列尖點(diǎn)突變模型及其穩(wěn)定判據(jù)；周輝運(yùn)用突變理論求得了井筒底板隔水層的最小理論安全厚度，并與典型案例實(shí)際情況基本相符。顯然，突變理論已經(jīng)在煤礦突水預(yù)測(cè)與防治領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)突水方面尚無相關(guān)成果，爆破、開挖等外力擾動(dòng)誘發(fā)突水的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)制是突水機(jī)理研究的重要方向。
【參考文獻(xiàn)】
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