采空區(qū)裂隙巖體滲流特征及滲透性試驗(yàn)研究

徐樹媛，張永波，相興華，陳 佩，吳艾靜

（1.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站（有限公司），山西 太原 030032）

煤層采動(dòng)引起覆巖移動(dòng)、破斷以及裂隙發(fā)育，并由此造成采空區(qū)不同部位破碎巖體的滲透性能發(fā)生變化[1]，加速了地下水向采掘空間滲流匯集，一方面易造成重大突水和淹井事故，另一方面造成上覆含水層地下水位下降，地下水流系統(tǒng)的補(bǔ)排關(guān)系改變，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。有研究表明，在礦山巖體破壞帶中，裂隙率大、滲透性強(qiáng)，地下水流屬于非線性滲流[2-5]。目前，數(shù)值模擬計(jì)算是礦井涌水量預(yù)測(cè)與含水層受開采影響程度評(píng)價(jià)中的重要手段，數(shù)值計(jì)算過程中地下水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與水文地質(zhì)參數(shù)的確定是模擬結(jié)果是否可靠的重要保障。因此，研究采空區(qū)內(nèi)裂隙巖體的滲流特性與滲透系數(shù)尤為重要；建立采動(dòng)巖體裂隙率與其滲透系數(shù)的關(guān)系對(duì)保障煤礦生產(chǎn)安全與保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和工程實(shí)際意義。

滲透系數(shù)能夠較好地反映滲透介質(zhì)的水力特征與滲透性能[6]。郭國強(qiáng)采用注水試驗(yàn)與放水試驗(yàn)法，獲得了離柳礦區(qū)太原組灰?guī)r含水層的滲透系數(shù)及其空間分布規(guī)律[7]；張金才等利用力學(xué)理論計(jì)算了采動(dòng)后裂隙巖體的滲透系數(shù)，并通過滲透系數(shù)增加區(qū)與含水層的位置關(guān)系，將研究結(jié)果應(yīng)用在工作面突水防治工作中[8]；孫祺鈺等分析了采動(dòng)條件下，覆巖滲透率的變化規(guī)律[9]；孫國文等研究了采動(dòng)條件下巖層滲透率隨應(yīng)力的變化規(guī)律[10]；張東等建立了不均勻多孔介質(zhì)滲透率的空間分布與其等效滲透率的關(guān)系表達(dá)式，開展了采動(dòng)后破碎巖體滲透性能的研究[11]；張禮等通過構(gòu)建采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)滲透率計(jì)算模型，對(duì)滲透率進(jìn)行了求解[12]；張發(fā)旺、陳立等通過現(xiàn)場(chǎng)水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將采空區(qū)上覆含水層進(jìn)行分帶，并對(duì)各帶滲透性能進(jìn)行了測(cè)定與分區(qū)[13-14]；王帥、馬克、段玲玲等分別就裂隙粗糙度、裂隙幾何特征與應(yīng)力環(huán)境，以及巖體裂隙面形貌特征對(duì)滲透特性的影響進(jìn)行了深入的研究[15-17]；但是這些研究成果多集中于時(shí)間尺度下的滲流模型，以及滲透性能的變化規(guī)律，對(duì)于采動(dòng)后破碎巖體不同位置滲透系數(shù)的空間分布特征關(guān)注較少，且忽略了采空區(qū)滲流場(chǎng)中滲透系數(shù)的方向性。因此，本次研究利用相似材料模型試驗(yàn)，獲得采空區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)采動(dòng)裂隙的分布特征，并采用滲透試驗(yàn)分別測(cè)試不同裂隙率采動(dòng)巖體的水平滲透系數(shù)與垂向滲透系數(shù)，建立采空區(qū)裂隙巖體水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)與其裂隙率的相關(guān)關(guān)系，分析采空區(qū)裂隙巖體地下水滲流特征與滲透性能變化規(guī)律。

1 采動(dòng)裂隙分布特征

研究采用相似材料模型試驗(yàn)方法獲得采動(dòng)裂隙的分布特征。模型的地質(zhì)原型選擇潞安集團(tuán)常村煤礦S6-9 工作面，工作面走向長(zhǎng)885 m，傾向斜長(zhǎng)255 m，現(xiàn)采3#煤層近水平，平均采厚7 m，平均埋深295 m；開采能力為184 Mt/a。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图荛L(zhǎng)4.3 m，高3.5m，厚0.4 m。試驗(yàn)相似系數(shù)取值及各符號(hào)含義見表1。

表1 相似系數(shù)取值Table 1 Values of the similarity coefficients

試驗(yàn)開采寬度為270 cm，模擬開采時(shí)間為2.8 d，開挖進(jìn)度為10 cm/h。試驗(yàn)材料由骨料和膠結(jié)物組成，石英砂和河砂為骨料，水泥和石膏等為膠結(jié)物。

根據(jù)常村煤礦S6-9 采區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征與巖石力學(xué)性質(zhì)，通過相似材料的不同配比來模擬不同巖性的地層。相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1。模型開挖結(jié)束后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育情況及其分區(qū)分帶情況如圖2。各地層相似材料的使用量與分配比例見表2。

表2 地層相似材料配比用量Table 2 The ratios of similar materials

圖1 相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 The experimental model of similar materials

圖2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х謪^(qū)分帶情況Fig.2 Horizontal areas and vertical zones of the mining overburden strata

根據(jù)巖體破壞特征及裂隙分布情況，并且為了便于試驗(yàn)操作與計(jì)算，在導(dǎo)水?dāng)嗔褞M向分區(qū)與縱向分帶組合的基礎(chǔ)上，將采動(dòng)裂隙場(chǎng)劃分為11 個(gè)裂隙組，采動(dòng)裂隙場(chǎng)分組情況如圖3。

圖3 采動(dòng)裂隙場(chǎng)分組情況Fig.3 The partitions of mining fractured field

采用面裂隙率表征裂隙巖體的裂隙發(fā)育程度，其計(jì)算如式（1）。

式中：f 為面裂隙率；L 為裂隙長(zhǎng)度，m；b 為裂隙寬度，m；A 為所測(cè)裂隙單元的面積，m2。

采動(dòng)覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)各組裂隙率統(tǒng)計(jì)見表3。

由圖3 與表3 可得：采動(dòng)覆巖殘余裂隙的分布特征為：規(guī)則垮落帶以上的巖體裂隙率總體上呈現(xiàn)自下而上逐漸減少的規(guī)律，且采空區(qū)兩側(cè)裂隙發(fā)育區(qū)＞中部壓實(shí)區(qū)。支撐區(qū)受拉張應(yīng)力作用，自覆巖頂部向下有裂隙發(fā)育。不規(guī)則垮落帶在采空區(qū)中部受上覆巖層的垮落壓實(shí)影響，部分裂隙閉合，導(dǎo)致裂隙率較兩側(cè)發(fā)育區(qū)與上部破碎巖體的殘余裂隙率小。采動(dòng)裂隙場(chǎng)內(nèi)規(guī)則垮落帶裂隙發(fā)育區(qū)的裂隙發(fā)育程度最大。

表3 采動(dòng)覆巖殘余裂隙分布統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of residual fractures in mining overburden

2 采動(dòng)覆巖滲透性試驗(yàn)

由于不規(guī)則垮落帶內(nèi)裂隙率大，滲透流速大，地下水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主；因此，主要針對(duì)規(guī)則垮落帶與裂斷裂帶內(nèi)的巖體進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)采動(dòng)裂隙的發(fā)育特征，并考慮到采動(dòng)巖體在不同方向上的滲透性具有差異，滲透試驗(yàn)對(duì)規(guī)則垮落帶與斷裂帶內(nèi)的第1 組～第8 組裂隙單元分別進(jìn)行垂向與水平方向滲透性試驗(yàn)。每組單元進(jìn)行5 次試驗(yàn)，通過各裂隙單元水力梯度與滲流速度的關(guān)系曲線，計(jì)算出各組裂隙巖體的水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)，并建立斷裂帶巖體滲透系數(shù)與裂隙率之間的相關(guān)關(guān)系。

滲透性試驗(yàn)裝置分水平滲透試驗(yàn)裝置與垂直滲透試驗(yàn)裝置。2 組裝置均由供水裝置、滲流裝置、測(cè)壓裝置以及測(cè)量裝置4 部分組成，斷裂帶滲透性試驗(yàn)裝置如圖4。

圖4 斷裂帶滲透性試驗(yàn)裝置Fig.4 Fracture zone permeability test device

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水力梯度與滲透流速的關(guān)系

在非線性滲流的描述方法中，Izbash 公式[18]與Forchheimer[19]方程應(yīng)用最為廣泛[20-21]，因此，為便于對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果采用線性關(guān)系表達(dá)式、Izbash公式與Forchheimer 公式分別進(jìn)行擬合。

采空區(qū)裂隙巖體內(nèi)地下水流在垂向上與水平方向上的滲流速度與水力梯度之間均呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性關(guān)系，地下水流特征為非達(dá)西流態(tài)。

鑒于Izbash 方程形式簡(jiǎn)單，且變形后的冪函數(shù)形式可直接反映裂隙巖體的滲透性，因此，研究采用Izbash 方程的擬合結(jié)果。公式變形后，得到的8 組裂隙單元垂向滲透系數(shù)與水平方向滲透系數(shù)見表4。8組典型裂隙單元中地下水在垂直方向上水力梯度J與平均滲透流速v 的關(guān)系曲線如圖5，裂隙單元水平向水力梯度與滲流速度關(guān)系如圖6。

圖5 裂隙單元垂向水力梯度與滲流速度關(guān)系Fig.5 Relationship between vertical hydraulic gradient and seepage velocity in fracture unit

圖6 裂隙單元水平向水力梯度與滲流速度關(guān)系Fig.6 Relationship between horizontal hydraulic gradient and seepage velocity in fracture unit

表4 裂隙單元滲透系數(shù)表Table 4 Hydraulic conductivity of fracture unit

3.2 裂隙巖體裂隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系

分別對(duì)采動(dòng)巖體內(nèi)各裂隙單元的垂向滲透系數(shù)、水平滲透系數(shù)與其裂隙率之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合關(guān)系曲線分別如圖7 和圖8。

由圖7 和圖8 可以看出，斷裂帶及規(guī)則垮落帶內(nèi)破碎巖體的裂隙率對(duì)巖體的滲透性能有著明顯影響。采空區(qū)裂隙巖體的滲透性能均隨裂隙率的增加而增強(qiáng)，即裂隙率越大，滲透系數(shù)越大，但具有分段性。采動(dòng)巖體裂隙率小于28.5%時(shí)，隨裂隙率的增大，滲透性能增強(qiáng)幅度相對(duì)較??；當(dāng)裂隙率大于28.5%時(shí)，滲透性能急劇增強(qiáng)，此時(shí)采空區(qū)頂板覆巖喪失隔水性能，轉(zhuǎn)變?yōu)橥杆畬印?/p>

圖7 裂隙帶破碎巖體裂隙率與垂直滲透系數(shù)關(guān)系Fig.7 Relation curves of the fissure ratio and vertical hydraulic conductivity in fractured zone

圖8 裂隙帶破碎巖體裂隙率與水平滲透系數(shù)關(guān)系Fig.8 Relation curves of the fissure ratio and horizontal hydraulic conductivity in fractured zone

對(duì)于同一裂隙巖體，其水平向滲透系數(shù)較垂向滲透系數(shù)大，前者為后者的7～12 倍，即裂隙巖體內(nèi)的地下水流仍以水平運(yùn)動(dòng)為主，這是由于在采空區(qū)裂隙巖體內(nèi)，離層裂隙發(fā)育，較垂直裂隙分布明顯、開度較大且相互溝通，是導(dǎo)水的主要通道。

3.3 采動(dòng)巖體滲透性的空間特征

基于采空區(qū)裂隙巖體裂隙率與滲透性能之間的擬合關(guān)系，將模型試驗(yàn)開采結(jié)束后所得的不同位置的裂隙率平均值代入，可得不同部位的平均滲透系數(shù)，采動(dòng)覆巖平均滲透系數(shù)見表5。

表5 采動(dòng)覆巖平均滲透系數(shù)Table 5 The hydraulic conductivity of fractured rock

由表5 可得，采空區(qū)裂隙巖體的垂向滲透系數(shù)介于0.067～0.649 cm/s 之間，水平滲透系數(shù)介于0.744～6.847 cm/s 之間，較煤層開采前頂板砂巖滲透系數(shù)值0.000 301 cm/s 擴(kuò)大了2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，表明裂隙巖體中復(fù)雜的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的滲透性能有控制作用，裂隙率的少量變化可引起滲透系數(shù)的大幅變化。

從空間尺度上看，采空區(qū)裂隙巖體不同位置含水介質(zhì)的滲透性能存在顯著差異。裂隙巖體滲透系數(shù)的最大值位于規(guī)則垮落帶的裂隙發(fā)育區(qū)；最小值位于斷裂帶的重新壓實(shí)區(qū)。此外，采動(dòng)巖體滲透性能的增幅取決于其破壞程度，垮落帶的平均滲透系數(shù)要大于斷裂帶的滲透系數(shù)；裂隙發(fā)育區(qū)的平均滲透系數(shù)大于重新壓實(shí)區(qū)與煤壁支撐區(qū)的滲透系數(shù)。即采空區(qū)裂隙巖體的滲透性能自煤層頂板向上減弱，而自采空區(qū)中心向四周則具有先增大后減小的趨勢(shì)性變化。

采空區(qū)內(nèi)裂隙巖體滲透性的空間差異將引起地下水流速的變化，從而影響整個(gè)地下水流系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

1）采空區(qū)不同部位巖體的裂隙分布特征為：規(guī)則垮落帶以上的巖體裂隙率總體上呈現(xiàn)自下而上逐漸減少的規(guī)律，且采空區(qū)兩側(cè)裂隙發(fā)育區(qū)＞中部壓實(shí)區(qū)。

2）采空區(qū)裂隙巖體內(nèi)的地下水流呈高速非線性滲流特征，水流特征明顯受巖體裂隙率影響；斷裂帶破碎巖體的滲透性能總體上隨裂隙率的增加而增強(qiáng)，滲透性能分為緩增區(qū)與激增區(qū)2 段，當(dāng)裂隙率小于28.5%時(shí)，滲透性能隨裂隙率的增大呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系緩慢增長(zhǎng)，裂隙率大于28.5%時(shí)，滲透性能隨裂隙率的增大急劇增強(qiáng)。

3）采空區(qū)裂隙巖體不同區(qū)域的滲透系數(shù)差別較大，采空區(qū)中部的重新壓實(shí)區(qū)與外側(cè)的煤壁支撐區(qū)明顯低于采區(qū)兩側(cè)的裂隙發(fā)育區(qū)，垂向滲透系數(shù)介于0.067～0.649 cm/s 之間，水平滲透系數(shù)介于0.796～6.847 cm/s 之間；采空區(qū)裂隙巖體滲透系數(shù)較煤層開采前擴(kuò)大了2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，采動(dòng)破壞對(duì)巖石透水性影響很大。