采动渗流场分析方法

煤炭高强度开采中含水层保护是绿色安全开采的难点,采动局域渗流响应规律则是含水层保护方法与技术的认知基础。研究采用多场源耦合分析思路和有限的矿区水文观测数据,通过剖析开采行为与渗流场响应耦合关系,构建采动局域地下水系统和分析采动渗流场时-空演化规律及采动-渗流耦合累积效应,结合典型案例分析,形成适于矿区地下水保护的采动渗流场分析方法。结果表明:(1)分析提出基于“开采激励-覆岩应变-渗流场响应”耦合和开采动能量与渗流场势能量传递关系的采-渗耦合机制,构建了描述采动局域渗流场状态的采动渗流系统(MSS)和采动渗流场的导通区、扰动区和辐射区划分架构;(2)构建集导通区“柱状渗流模型”和扰动-辐射区“井-渗”态模型为一体的采动渗流场分析简化模型,提出采-渗耦合系数、采动渗流量、视导水系数、源-位距等采动渗流场描述参数,含水层损伤、安全开采风险等含水层保护分析参数;(3)揭示采-渗耦合系数是影响局域采动渗流响应特征的关键因子,发现硬岩类较软岩类覆岩耦合强度和影响范围大,低导水性较高导水性含水层的采动渗流场响应区域窄、频度高和累积影响距离近,采动渗流量和介质导水性等响应显现周期性、振幅波动性和涌流脉动性等特点;(4)提出基于采-渗累积效应的导通区辨识分析流程,针对采区非均匀介质的采动区域渗流异常均衡分析法和采动工作面导通区辨识的约束均衡分析法,基于非均匀含水层开采损伤控制的开采风险、覆岩厚度和采高分析方法;(5)应用表明:采动渗流直接影响Ⅲ含和波及Ⅱ含,采动期(2012—2019)累积影响半径分别超过2 km和6 km;Ⅲ含采动渗流量显著低于Ⅱ含,但采-渗协同响应显著,总量接近同期全区工作面矿井水实测量。其中,主要导通区在首采工作面初采段,渗流量源于Ⅲ含直接“排泄”和Ⅱ含大量的越层“补给”,其他采区总量稳定且水平较低,主要源于Ⅲ含采动裂隙渗流及少量Ⅱ含周期性沉陷裂缝越层补给;巨厚多含水层时采用“保Ⅱ控Ⅲ”策略和“低进、高推、慢停”柔性回采模式,西区和东区安全采高分别提升到8~12 m和16 m左右后,续采区渗流异常水平显著下降和无采动涌水现象实证目标含水层保护效果显著。