学科前沿讲座-矿井突水渗流理论及研究方法课件.ppt

1、主要内容主要内容v1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介v2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述v3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状v4 4 高水压条件下断层破碎带突水渗流高水压条件下断层破碎带突水渗流转化机理初步研究转化机理初步研究v5 5 矿井突水下一步研究重点和难点矿井突水下一步研究重点和难点v 从过去大量突水事故中的水文地质资料和突水原因分析，从过去大量突水事故中的水文地质资料和突水原因分析，绝大多数是与绝大多数是与断裂构造断裂构造有着直接关系的，据统计，有着直接关系的，据统计，80%以上的突水发生在以上的突水发生在断裂构造带本身断裂构造带本身及及邻近范围

2、邻近范围内。例如内。例如井井陉陉矿区，直接沿断裂发生的突水占矿区，直接沿断裂发生的突水占74%，断裂影响带，断裂影响带（距断层带（距断层带15m范围）内占范围）内占23%；在；在肥城肥城矿区，与断裂矿区，与断裂构造有关的突水占构造有关的突水占72.6%，其中，其中5次大于次大于1000m3/h的的突水，均与突水，均与断裂构造断裂构造有关。有关。v 而且，突水过程中首要的是对而且，突水过程中首要的是对突水量突水量及及突水动态变化突水动态变化特征特征的把握。而突水通道中地下水的的把握。而突水通道中地下水的渗流特征渗流特征是决定突水量及是决定突水量及突水动态变化特征的关键。突水动态变化特征的关键。v

3、 因此，因此，断层突水机理断层突水机理是矿井突水理论的重要环节。是矿井突水理论的重要环节。1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介一、断层突水机理研究现状一、断层突水机理研究现状1、矿山压力与采动岩石（体）力学方面、矿山压力与采动岩石（体）力学方面v 杨善杨善安详细分析了断层在安详细分析了断层在采空区的位置采空区的位置与突水的关系。与突水的关系。v 黎良杰、钱鸣高黎良杰、钱鸣高等把断层分为等把断层分为张开型张开型与与闭合型闭合型，分别对其突水，分别对其突水机理进行分析。机理进行分析。v 谭志祥谭志祥利用利用力学平衡力学平衡的原理，计算底板断层在垂向方向承受的的原理，计算底板断层在垂向方向承受的

4、压力。压力。v 李晓昭李晓昭等提出等提出断裂带内断裂带内产生指向开挖空间的产生指向开挖空间的较大回弹位移较大回弹位移和位和位移梯度，导致断层带内移梯度，导致断层带内张性裂隙张性裂隙的产生和地下水的透入。的产生和地下水的透入。1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介v 营志杰营志杰利用煤层利用煤层渗透性渗透性变化规律，确定了变化规律，确定了断层防水煤柱断层防水煤柱保持保持稳定和隔水的基本条件，并给出了相应的计算公式：稳定和隔水的基本条件，并给出了相应的计算公式：v 式中：式中：Wb为断层为断层裂隙带裂隙带宽度，宽度， Wp为为弹性核弹性核宽度，宽度， Wy为屈服为屈服带宽度。带宽度。v 施龙青施

5、龙青结合结合矿山压力矿山压力控制理论及控制理论及几何损伤力学几何损伤力学理论，分析了理论，分析了矿山压力对突水量的影响作用矿山压力对突水量的影响作用 ,研究了采场断层在研究了采场断层在矿山压力矿山压力作作用下用下活化活化的力学机理。的力学机理。v 张文泉张文泉以以断裂的结构断裂的结构为切入点，从断裂产生的裂隙、节理的为切入点，从断裂产生的裂隙、节理的角度，运用角度，运用断裂力学断裂力学论述了裂隙、节理的扩展和贯通是底板论述了裂隙、节理的扩展和贯通是底板突水的必要通道条件。突水的必要通道条件。yPbWWWW1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介2、复杂性方法方面、复杂性方法方面 v 邱秀梅、周

6、瑞光邱秀梅、周瑞光等利用等利用重整化群重整化群方法研究了断层单元体破方法研究了断层单元体破裂的裂的随机性随机性和和关联性关联性，并对断层导水，并对断层导水裂隙的扩展规律裂隙的扩展规律进行进行了分析。了分析。v 白峰青白峰青基于极限设计思想的基于极限设计思想的概率方法概率方法提出提出断层防水煤柱断层防水煤柱设设计的计的可靠度可靠度方法，认为断层沿侧向突水的概率小于沿工作方法，认为断层沿侧向突水的概率小于沿工作面底板突水的概率面底板突水的概率.v 潘岳潘岳根据根据Mises增量理论增量理论，对岩体断层破裂的，对岩体断层破裂的突变突变进行理进行理论分析。论分析。v 杜文堂杜文堂使用了使用了可靠度可靠

7、度分析的分析的“JC”方法，分析了水压力方法，分析了水压力、煤层抗张强度及突水系数的不确定性，建立了防水煤柱、煤层抗张强度及突水系数的不确定性，建立了防水煤柱可靠度可靠度分析的极限状态方程。分析的极限状态方程。 1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介3、地质科学方面、地质科学方面 v 韩爱民韩爱民从从地质力学地质力学的角度，在基岩的角度，在基岩裂隙透水性裂隙透水性基本特征基本特征分析的基础上，综合考虑影响断裂带透水性以及可能引分析的基础上，综合考虑影响断裂带透水性以及可能引起断层涌水的各种起断层涌水的各种地质因素地质因素，总结出易于突水的断层的，总结出易于突水的断层的特征。特征。v 倪宏革、

8、罗国煌倪宏革、罗国煌等提出了底板突水的等提出了底板突水的优势面优势面理论，认为理论，认为在众多构造中，对突水起决定性控制作用的当属在众多构造中，对突水起决定性控制作用的当属优势断优势断裂裂。v 刘燕学刘燕学探讨了断层构造对底板突水的探讨了断层构造对底板突水的控制作用控制作用，定性定性分分析了相同的地质条件下，断裂破坏带突水的可能性较正析了相同的地质条件下，断裂破坏带突水的可能性较正常岩层突水可能性显著提高。常岩层突水可能性显著提高。1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介v 杨新安杨新安将断层突水分为将断层突水分为大断层大断层突水与突水与小断层小断层（落差为几米（落差为几米的一条或几条断层构成

9、的破碎带）突水，并分别分析了各的一条或几条断层构成的破碎带）突水，并分别分析了各自突水的特点和突水机理。自突水的特点和突水机理。 4、模拟研究方面、模拟研究方面v 杨映涛杨映涛利用利用相似模拟相似模拟研究了底板突水机理，得出了有断层研究了底板突水机理，得出了有断层底板突水的可能性，与断层的底板突水的可能性，与断层的位置位置和和角度角度有关。有关。v 周钢周钢采用采用相似模拟相似模拟探讨了断层探讨了断层上、下盘上、下盘的开采顺序、推进的开采顺序、推进方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。 v 王成绪、朱第植、王维理王成绪、朱第植、王维理等用有限元法，对底板突

10、水进行等用有限元法，对底板突水进行了数值模拟。了数值模拟。 1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介5、渗流理论方面、渗流理论方面v Sheik.A.K和和Pariseau.W.G认为在矿井围岩稳定性的研究认为在矿井围岩稳定性的研究中，中，水水是矿井围岩稳定的主要决定因素。是矿井围岩稳定的主要决定因素。v Geir.et.al在考虑地下水的影响中，采用了一个不受岩体在考虑地下水的影响中，采用了一个不受岩体采动影响的采动影响的渗流模型渗流模型，并对，并对岩体变形岩体变形与与流体流动流体流动的的耦合耦合模模型进行了应用。型进行了应用。v 高延法高延法分析了分析了水水与与水压水压在底板突水中的力学作

11、用。在底板突水中的力学作用。v 仵彦卿仵彦卿依据依据水力学水力学特征，把特征，把岩体结构岩体结构分为五类：孔隙连续分为五类：孔隙连续介质、准孔隙连续介质，裂隙网络介质，双重介质，岩溶介质、准孔隙连续介质，裂隙网络介质，双重介质，岩溶管道介质来进行研究。管道介质来进行研究。 1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介v 刘继山刘继山用用实验实验的方法分别研究了的方法分别研究了单裂隙单裂隙和和两组正交裂隙两组正交裂隙受正应受正应力作用时的力作用时的渗流渗流规律。规律。v 郑少河郑少河等人在理论上推导了等人在理论上推导了含水裂隙岩体含水裂隙岩体的初始的初始损伤损伤及损伤演及损伤演化本构关系，分析了化本

12、构关系，分析了渗透压力渗透压力对岩体变形的影响机制。对岩体变形的影响机制。v 潘国营潘国营利用利用广义双重介质广义双重介质渗流理论，对焦作矿区岩溶水通过大渗流理论，对焦作矿区岩溶水通过大量的量的水流模拟试验水流模拟试验，得到了水在岩体裂隙和裂隙网络中的渗流，得到了水在岩体裂隙和裂隙网络中的渗流规律。规律。v 缪协兴、刘卫群、陈占清缪协兴、刘卫群、陈占清等研究了等研究了采动采动岩体岩体渗流渗流的力学机制。的力学机制。v 另外，另外，杨栋杨栋 、王芝银、王芝银 、李云鹏、李云鹏 、黄涛、黄涛 、张建华、张建华 、杨太华、杨太华 、周创兵周创兵 、王瑗、王瑗等在等在流固耦合流固耦合方面作了很多的工作

13、，提出了很方面作了很多的工作，提出了很多有益于工程的建议和结论。多有益于工程的建议和结论。2 2 断层突水机理简介断层突水机理简介6、其它其它v 卜昌森卜昌森基于大量的基于大量的现场现场突水资料，探讨了在矿压作用下，突水资料，探讨了在矿压作用下，地质构造的存在更容易引起底板突水。地质构造的存在更容易引起底板突水。v 武强武强阐述了阐述了断层滞后突水断层滞后突水的弱化机理和主要控制因素，提的弱化机理和主要控制因素，提出了煤层底板断裂构造突水时间弱化效应的新概念。出了煤层底板断裂构造突水时间弱化效应的新概念。1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介二、小结二、小结v 综上这些研究成果，许多学者对综

14、上这些研究成果，许多学者对断层突水的原因断层突水的原因及及防治防治做了做了深入地研究，从不同的方面对煤层开采断层突水的机理做了深入地研究，从不同的方面对煤层开采断层突水的机理做了许多有益的探索，对减少断层突水事故的发生，改善我国煤许多有益的探索，对减少断层突水事故的发生，改善我国煤矿安全状况起到了重要的作用。但仍存在一些不足之处，主矿安全状况起到了重要的作用。但仍存在一些不足之处，主要包括以下要包括以下两个方面两个方面的问题：的问题：1、由于断层突水问题本身的复杂性，大多数理论只从、由于断层突水问题本身的复杂性，大多数理论只从单一学单一学科科或或某一方面某一方面进行研究。进行研究。2、断层带、

15、断层带渗流的定量化研究渗流的定量化研究较少。较少。v 因此，就以上两个方面作了一点探索。因此，就以上两个方面作了一点探索。 1 1 断层突水机理简介断层突水机理简介2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述一、有关渗流的几个概念一、有关渗流的几个概念 1、渗流、渗流v 流体通过流体通过多孔介质多孔介质的流动称为的流动称为渗流渗流。渗流实质上不是真实的流。渗流实质上不是真实的流体运动，而是一种体运动，而是一种假想假想的流动方式。的流动方式。v “为了研究地下水的为了研究地下水的整体运动特征整体运动特征而引入的一种假想的水流，而引入的一种假想的水流，这种假想的水流具有这种假想的水流具有实

16、际水流实际水流的运动特点，并连续充满整个含的运动特点，并连续充满整个含水层水层”。地下水动力学地下水动力学v 渗流一词是渗流一词是我国我国学者的学者的“创新性发明创新性发明”。在美国等西方国家渗。在美国等西方国家渗流被描述为流被描述为flow through porous media，即是通过，即是通过多孔介质多孔介质的流的流动，有时也简称为动，有时也简称为porous flow或或seepage 。而俄文中渗流的对应。而俄文中渗流的对应词意思为词意思为过滤器过滤器中的流动或中的流动或“渗滤渗滤” 。20世纪世纪60年代初期我国年代初期我国学者给出了多孔介质流动的汉语定义：学者给出了多孔介质流

17、动的汉语定义：渗流渗流。2010-9-11 2、多孔介质、多孔介质v 具有具有互相连通互相连通空隙的岩石，通常指的是空隙的岩石，通常指的是孔隙孔隙及及较小较小的裂隙和溶的裂隙和溶隙。隙。v 广义：广义：包括包括孔隙孔隙介质、介质、裂隙裂隙介质（细小裂隙）和某些介质（细小裂隙）和某些岩溶岩溶不十不十分发育（溶隙分布分发育（溶隙分布较均匀较均匀）的由石灰岩和白云岩组成的）的由石灰岩和白云岩组成的岩溶岩溶介介质，都称为质，都称为多孔介质多孔介质。狭义：狭义：孔隙孔隙介质。介质。v 多孔介质的一般性质多孔介质的一般性质（1）储容性：）储容性：能够储集和容纳流体；能够储集和容纳流体；（2）渗透性：）渗透

18、性：允许流体在孔隙中流动；允许流体在孔隙中流动；（3）润湿性：）润湿性：岩石孔隙表面与流体接触中所表现的亲和性；岩石孔隙表面与流体接触中所表现的亲和性；（4）非均质性：）非均质性：平面上和纵向上物理性质时常差异明显，孔隙平面上和纵向上物理性质时常差异明显，孔隙结构狭窄而复杂；结构狭窄而复杂；（5）多相性：）多相性：固、液、气三相可共存固、液、气三相可共存; ;（6）压缩性：）压缩性：当压力增加时，引起多孔介质压缩。当压力增加时，引起多孔介质压缩。2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述3、渗流的分类、渗流的分类v 三个方面：三个方

19、面：地下地下渗流、渗流、工程工程渗流及渗流及生物生物渗流。渗流。（1）地下渗流）地下渗流 v 是指是指土壤、岩石和地表堆积物土壤、岩石和地表堆积物中中流体流体（包括地下水、石油、天（包括地下水、石油、天然气等）的渗流。然气等）的渗流。v 主要涉及主要涉及能源工业能源工业、农田灌溉农田灌溉、地下水污染地下水污染及及水利工程水利工程等。等。（2）工程渗流）工程渗流 v 是指各种是指各种人造多孔材料人造多孔材料和和工程装置工程装置中中流体流体的渗流。的渗流。 v 主要涉及主要涉及化工、冶金、机械、建筑化工、冶金、机械、建筑等行业。等行业。（3）生物渗流）生物渗流 v 是指是指动植物体内动植物体内流体

20、的流动。分为动物和植物体内的渗流。流体的流动。分为动物和植物体内的渗流。2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述二、研究渗流的科学二、研究渗流的科学渗流力学渗流力学 1、渗流力学、渗流力学v研究流体在研究流体在多孔介质多孔介质中运动规律的科学。它是中运动规律的科学。它是流体力学流体力学的一的一个重要分支，又是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表个重要分支，又是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学学科面物理、物理化学学科交叉交叉渗透而形成的。渗透而形成的。 它是多种科学它是多种科学和工程技术的和工程技术的理论基础理论基础之一。之一。2、地下水、地下水v地表以下地表以下

21、岩石空隙岩石空隙中的水。中的水。狭义狭义指的是贮存于包气带以下地指的是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。 3、地下水渗流力学、地下水渗流力学v研究研究地下水地下水在在多孔介质多孔介质中运动规律的科学，是渗流力学的一中运动规律的科学，是渗流力学的一个分支。个分支。地壳岩石中的水地壳岩石中的水岩石岩石“骨架骨架”中的水中的水（矿物结合水）（矿物结合水）沸石水：方沸石沸石水：方沸石(Na(Na2 2AlAl2 2SiSi4 4O O1212nHnH2 2O)O)结晶水：石膏结晶水：石膏(CaSO(CaSO4 4 2H2H2 2O O

22、) )结构水：高岭石结构水：高岭石(Al(Al4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8) )岩石空隙中的水岩石空隙中的水结合水结合水 （矿物表面结合水）（矿物表面结合水）强结合水强结合水弱结合水弱结合水液态水液态水固态水固态水气态水气态水重力水重力水毛细水毛细水2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述地下水渗流地下水渗流的重点研究的重点研究对象对象2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述v地下水地下水渗流力学渗流力学与地下水与地下水动力学动力学的关系：的关系：v目前来讲是目前来讲是一致一致的。研究的。研究对象对象（地下水，主要是重力水）、（地下水，主要是

23、重力水）、研究研究内容内容基本一致。基本一致。v不同点（不同点（个人观点个人观点）：）：（1）研究的）研究的范围范围。地下水动力学。地下水动力学孔隙孔隙介质；地下水渗流力介质；地下水渗流力学学岩石岩石含水含水介质。介质。（2）理论）理论基础基础不同。地下水动力学不同。地下水动力学达西达西定律；地下水渗流定律；地下水渗流力学力学包括包括一切流态一切流态（不满足达西定律的层流及紊流）。（不满足达西定律的层流及紊流）。v这也是这也是整个渗流力学整个渗流力学的的局限性局限性：如何研究在一切：如何研究在一切含水介质含水介质中中的流体的运动（包括不满足达西定律的的流体的运动（包括不满足达西定律的层流层流及

24、及紊流紊流），而非），而非仅仅仅仅多孔介质多孔介质中的中的达西流达西流。2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述三、地下水渗流理论的核心三、地下水渗流理论的核心 1、连续介质思想、连续介质思想v 连续介质思想包含连续介质思想包含连续流体连续流体和和连续多孔介质连续多孔介质两个部分。两个部分。（1）连续流体）连续流体v 把流体看成一种具有把流体看成一种具有连续性连续性的理想流体，实际上是假定在所占据的理想流体，实际上是假定在所占据的空间中的空间中流体密度流体密度是一种是一种连续函数连续函数。这一概念是。这一概念是Euler 在在1755 年提出的。后来发展成为年提出的。后来发展成为三

25、个三个假设条件：假设条件：假设水流的假设水流的性质性质（密度、粘滞性）与真实水流相同，充满了既包（密度、粘滞性）与真实水流相同，充满了既包括括空隙空隙也包括也包括颗粒颗粒所占据的空间。所占据的空间。在在任意任意岩石岩石体积体积内所受内所受阻力阻力与真实水流相等。与真实水流相等。通过通过任一任一断面的断面的流量流量及及任一点任一点的的压力压力或或水头水头与真实水流相等。与真实水流相等。2010-9-11 （a）渗透）渗透（b）渗流）渗流（a）渗透）渗透2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述颗粒孔隙图1-1-3a 地下水实际流线图1-1-0b 在一般管道中的普通水流颗粒孔隙图1-1-

26、3a 地下水实际流线孔隙颗粒图1-1-3b 基于渗透流速的流线AB2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述（2）连续介质）连续介质典型单元体典型单元体v 用渗流场中某用渗流场中某单元体物理量单元体物理量的的平均值平均值近似代替近似代替整个渗流场整个渗流场的特的特征值，该单元体称为典型单元体。征值，该单元体称为典型单元体。v 连续介质思想就是用一种连续介质思想就是用一种假想假想的的连续介质连续介质（无结构物质）代替（无结构物质）代替实际的多相流体或多孔介质。在这种假想的连续介质中，我们实际的多相流体或多孔介质。在这种假想的连续介质中，我们可以把可以把运动变量、动力参数及变量运动变量、

27、动力参数及变量看成是空间坐标和时间的看成是空间坐标和时间的连连续函数续函数。因此我们就能够运用。因此我们就能够运用高等数学高等数学来研究流体在多孔介质来研究流体在多孔介质中的渗流运动。中的渗流运动。2、地下水状态方程、地下水状态方程v 地下水的状态方程实际上体现的是地下水的地下水的状态方程实际上体现的是地下水的体积体积和和密度密度与与压力压力之间关系之间关系的方程，即：的方程，即：V、-p关系关系)0(0ppeVV)0(1 0ppVV)0(1 0pp 2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述v 地下水地下水压缩方程压缩方程地下水是可以压缩的：地下水是可以压缩的：v 地下水的压缩系数

28、，地下水的压缩系数， =1/E3、多孔介质压缩方程、多孔介质压缩方程v 多孔介质多孔介质是可以是可以压缩压缩的：的：v 多孔介质压缩系数多孔介质压缩系数VdVdp1dpdbbVdVdp1ededp112 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述4、达西定律、达西定律线性渗透定律线性渗透定律v Darcy, , 1856年，验证：年，验证：v 通过饱和土体断面的通过饱和土体断面的流量流量Q与与断面断面面积面积A和和水力梯度水力梯度J成成正比正比，比例系数为比例系数为K，称为，称为“渗透系数渗透系数”。v 注：达西定律反映了注：达西定律反映了能量转化能量转化与与守恒守恒，是地下水动力学的，

29、是地下水动力学的理论基础理论基础。阀门砂LH2H1 AQ出Q达西实验装置达西实验装置2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述5、地下水连续性方程、地下水连续性方程v 在渗流系统中的任何一个在渗流系统中的任何一个“局部局部”，流体运动必须遵守，流体运动必须遵守质量守质量守恒恒。连续性方程是质量守恒定律的数学表达式。连续性方程是质量守恒定律的数学表达式。v 物理含义：物理含义：v 某一渗流场中，流某一渗流场中，流入入流流出出单元体的单元体的质量差质量差等于等于单元体内单元体内液体质液体质量的量的变化变化。6、地下水渗流数学模型、地下水渗流数学模型v 一个或一组一个或一组数学方程数学方程

30、与其与其定解条件定解条件加在一起，构成一个描述某加在一起，构成一个描述某地下水渗流问题的地下水渗流问题的数学模型数学模型。)()()()(zyxntzyxzvyvxvzyx 已知已知 其中，其中， 为初始时刻地下水的水位，为初始时刻地下水的水位， 数学模型：数学模型：DyxtHPWyHzHKyxHzHKx),( ,)()(上。和、在CDBCAByxnH),( , 0上。在ADyxtyxftyxH),(),(),(DyxyxHyxH),(),()0 ,(02 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述 四、地下水渗流研究方法四、地下水渗流研究方法 1、用、用力学力学和和实验实验的方法研究地

31、下水的方法研究地下水（1）流体力学）流体力学 用严密的数学方法描述用严密的数学方法描述流体平衡流体平衡与与运动运动的的规律性规律性。（2）水力学）水力学 用流体力学的某些方法，结合用流体力学的某些方法，结合实验实验和和观测成果观测成果，分，分析水力现象的主要因素，以析水力现象的主要因素，以满足工程的需要满足工程的需要。 以上两种方法以上两种方法实质实质：实际问题实际问题物理模型物理模型（简（简化过程）化过程）物理模型物理模型数学模型数学模型（概化过程）（概化过程）求求解解数学模型数学模型 2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述（3）实验方法）实验方法v复杂条件下复杂条件下，理论方

32、法不能解决时，用实验方法，理论方法不能解决时，用实验方法实验模型实验模型模拟模拟实际地下水条件，获得近似的结果。实际地下水条件，获得近似的结果。v实验模型实验模型：物理物理模拟（相似模拟）、模拟（相似模拟）、数值数值模拟（计模拟（计算机模拟）算机模拟） 2、求解与地下水有关数学模型的方法、求解与地下水有关数学模型的方法 解析法解析法、数值法数值法（数值模拟）。（数值模拟）。力学、数学、实验理论研究、实验研究2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述 五、地下水渗流研究热点五、地下水渗流研究热点1、细观渗流的研究、细观渗流的研究 v 细观渗流是指研究在细观渗流是指研究在微细尺度微细尺度

33、上上(目前二维像素和三维像素的线目前二维像素和三维像素的线尺度均在尺度均在100m以下以下)渗流的性状。传统的渗流是研究渗流的性状。传统的渗流是研究宏观特性宏观特性，即统计平均，不能确切了解，即统计平均，不能确切了解多孔介质内部多孔介质内部的物理化学过程及渗的物理化学过程及渗流机理。流机理。细观细观与与宏观宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。 2、流固耦合的研究、流固耦合的研究 v 流固耦合的研究通常是将流固耦合的研究通常是将渗流力学渗流力学与与岩土力学岩土力学结合起来，从而真结合起来，从而真实地反映实地反映流体流体与与多孔介质多孔介质相互作用下的效

34、应。相互作用下的效应。 3、水库诱发地震中的渗流问题、水库诱发地震中的渗流问题 v 水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。中国水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。中国总震例数总震例数的的50为外部成因的水库诱发地震。将渗流力学与岩土力学结合为外部成因的水库诱发地震。将渗流力学与岩土力学结合起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依据。据。 2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述4、输运过程的研究、输运过程的研究v 输运过程涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化等领域。输运过程涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化

35、等领域。溶质溶质的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化。溶质输运过程的研究以。溶质输运过程的研究以费克费克(Fick)扩散定律扩散定律和和水动力弥散理论水动力弥散理论为基础。关于水动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管为基础。关于水动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管束和网络模型等。这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简束和网络模型等。这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善。5、非线性渗流理论、非

36、线性渗流理论 v 现代现代非线性非线性连续介质力学发展很快，目前着重研究连续介质力学发展很快，目前着重研究分叉分叉和和混沌混沌、分形分形理论和理论和孤子孤子理论理论3个方面。在渗流力学领域主要涉及个方面。在渗流力学领域主要涉及分叉分叉和和混沌混沌以及以及分形分形理论。理论。 2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述v 另外，还有以下领域：另外，还有以下领域： 1、地下水在、地下水在裂隙裂隙介质、介质、岩溶岩溶介质中运动机制和基本运动规律的介质中运动机制和基本运动规律的研究；研究； 2、非饱和带非饱和带水运动理论研究；水运动理论研究； 3、热量热量（能）在地下水中的运移研究；（能）在

37、地下水中的运移研究； 4、地下水、地下水最优化最优化管理方面的问题；管理方面的问题； 5、介质、介质非均质非均质性研究；性研究； 6、各种实际渗流问题的、各种实际渗流问题的数值模拟数值模拟技术研究（技术研究（仿真性仿真性）。）。 7、随机理论随机理论在水流和溶质运移研究中的应用。在水流和溶质运移研究中的应用。 8、在含、在含多组分溶质多组分溶质的水流中的水流中 Darcys law的表达形式的表达形式 2 2 地下水渗流基本理论概述地下水渗流基本理论概述一、煤矿岩体渗流基本理论一、煤矿岩体渗流基本理论 v 地下水在地下水在含水介质含水介质中的运动非常复杂，中的运动非常复杂，简单简单可归纳为可归

38、纳为三类三类：第：第一类为地下水在一类为地下水在孔隙介质（多孔介质）孔隙介质（多孔介质）中的运动，第二类为地中的运动，第二类为地下水在下水在裂隙介质裂隙介质中的运动，第三类是地下水在中的运动，第三类是地下水在大裂隙和管道大裂隙和管道的的流动。介质性质的不同，决定了其渗流规律的不同。流动。介质性质的不同，决定了其渗流规律的不同。 1、孔隙介质渗流基本定律孔隙介质渗流基本定律 v 孔隙介质是孔隙介质是典型典型的多孔介质，在大多数情况下，地下水渗流较的多孔介质，在大多数情况下，地下水渗流较好地符合好地符合达西定律达西定律（ 雷诺数雷诺数Re=110 ）。）。v 对于对于Re大于大于110的渗流，的渗

39、流，渗流速度渗流速度V与与水力坡度水力坡度J不再成不再成线线性性关系，此种情况多出现在发育较好的关系，此种情况多出现在发育较好的溶洞溶洞、泉水出口泉水出口及及矿井矿井突水突水的某些阶段。的某些阶段。 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状2、裂隙介质渗流基本定律、裂隙介质渗流基本定律 v 从本世纪从本世纪50年代起，苏联学者就开始对裂隙水力学做试验研究，年代起，苏联学者就开始对裂隙水力学做试验研究，其后经过许多学者的努力，基本搞清了其后经过许多学者的努力，基本搞清了裂隙岩体渗流裂隙岩体渗流的规律。的规律。 主要有以下几种渗流模型：主要有以下几种渗流模型：（1）单一光滑裂隙的渗流模型）

40、单一光滑裂隙的渗流模型 v 对壁面对壁面光滑光滑的细小缝隙，水流运动规律为的细小缝隙，水流运动规律为(Louis，1974)：v 式中：式中：q平均流速；平均流速；Kf裂隙渗透系数；裂隙渗透系数；Jf裂隙水力坡度。裂隙水力坡度。v 式中：式中：d裂隙宽度；裂隙宽度；运动粘滞系数。运动粘滞系数。 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状ffJKq 122gdKfv 此时：此时： ，q与裂隙的宽度与裂隙的宽度d的立方成比例，称之为立的立方成比例，称之为立方定理。方定理。（2）单一粗糙裂隙的渗流模型单一粗糙裂隙的渗流模型 v 实际情况下，裂隙的隙壁是有一定实际情况下，裂隙的隙壁是有一定粗糙度

41、粗糙度的，此时，裂隙的单的，此时，裂隙的单宽流量与水力坡度不再符合立方定理。宽流量与水力坡度不再符合立方定理。v 层流：层流：公式：公式： Louis公式：公式： 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状fJgdq1235 . 13)(61112dJgdqf5 . 13)(8 . 81112dJgdqfv 紊流：紊流：公式：公式： Louis公式：公式：v 式中：式中：隙壁的绝对粗糙度，隙壁的绝对粗糙度，1.03.0mm；/d隙壁的隙壁的相对粗糙度。相对粗糙度。 v 层流公式层流公式适用雷诺数上限为适用雷诺数上限为600；紊流公式紊流公式适用雷诺数上限为适用雷诺数上限为2300。 v

42、雷诺数雷诺数Re判别判别表达式：表达式： v 式中：式中：v地下水渗流速度；地下水渗流速度；v d含水层颗粒的平均粒径；含水层颗粒的平均粒径；地下水的运动粘滞系数。地下水的运动粘滞系数。 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状71544)(7 . 4dJgdqf57. 041)2(079. 0dJgqfvdRe（3）裂隙组的渗流模型裂隙组的渗流模型 v Romm（1966）假定裂隙岩体为拟连续介质体，水在整个岩）假定裂隙岩体为拟连续介质体，水在整个岩体中的流动用体中的流动用Darcy定律的形式：定律的形式：v 式中：式中：d裂隙的宽度改为裂隙的宽度改为裂隙间距裂隙间距。v 裂隙组渗透

43、系数裂隙组渗透系数为：为： ，对于宽度不等，不平行的，对于宽度不等，不平行的v 裂隙流可以采用渗透张量变换与加权等方法处理。裂隙流可以采用渗透张量变换与加权等方法处理。v Louis提出提出裂隙组渗透系数裂隙组渗透系数的表达式：的表达式：v 式中：式中：L裂隙平均间距；裂隙平均间距；v Km基质岩块基质岩块的渗透系数。的渗透系数。3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状ffJLdKqLgdKf123mfKKLdK3、溶穴（管道）渗流规律溶穴（管道）渗流规律 v 岩溶区的岩溶区的地下暗河地下暗河或地下水沿巨大的或地下水沿巨大的张开裂隙张开裂隙（某些张性断层（某些张性断层破碎带）的流动，这

44、种运动的特点是地下水集中，且在相当大破碎带）的流动，这种运动的特点是地下水集中，且在相当大的范围内只有一个或几个大裂隙或管道，流动孤立，流速和流的范围内只有一个或几个大裂隙或管道，流动孤立，流速和流量大。量大。 v 由于对地下水在溶穴或断层破碎带等管道中的渗流规律在由于对地下水在溶穴或断层破碎带等管道中的渗流规律在渗流渗流力学力学中研究较少，可以中研究较少，可以借助水力学理论借助水力学理论来研究此类渗流规律，来研究此类渗流规律，常见的管道水力学计算公式：常见的管道水力学计算公式： 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状（1）Chezy公式公式 v Chezy公式一般用得比较少，但它是

45、其它公式的公式一般用得比较少，但它是其它公式的基础基础，包括，包括Manning公式。公式。Chezy公式表示为：公式表示为：v Q断面水流量；断面水流量；CChezy糙率系数（糙率系数（m1/2/s）；）；A断面面积；断面面积；v R水力半径，过水断面积与湿周之比即为水力半径。水力半径，过水断面积与湿周之比即为水力半径。表达式：表达式： X为湿周，即过水断面上水流所湿润的边界长度；为湿周，即过水断面上水流所湿润的边界长度；v S水力坡度。根据需要也可以变换为其它表示方法。水力坡度。根据需要也可以变换为其它表示方法。 （2）Hazen-Williams公式公式 v Hazen-Williams

46、公式是压力管道公式是压力管道最常用最常用的水头损失计算公式，该的水头损失计算公式，该公式表达为：公式表达为： 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状RSCAQ XAR/v 式中：式中：CHazen-Williams糙率系数（无量纲）糙率系数（无量纲）；v k常数，采用国际单位时为常数，采用国际单位时为0.85。 （3）Darcy-Weisbach公式公式 v 由于由于Darcy-Weisbach是通过理论总结得到的公式，故也称为是通过理论总结得到的公式，故也称为理论理论公式公式。Darcy-Weisbach被用于许多要求被用于许多要求计算精度较高计算精度较高的工程中。的工程中。Dar

47、cy-Weisbach公式表达为：公式表达为：v 式中：式中：v H水头损失；水头损失；f摩擦系数；摩擦系数；l管道长；管道长；d管道内直径管道内直径v u管道内平均流速。管道内平均流速。3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状54. 063. 0SkCARQ gudlfH22二、煤矿突水渗流理论研究概况二、煤矿突水渗流理论研究概况v 近些年，许多学者对煤层开采过程中近些年，许多学者对煤层开采过程中矿井突水渗流矿井突水渗流作了研究。作了研究。根据建立渗流模型所考虑的根据建立渗流模型所考虑的空隙介质类型空隙介质类型和和数量数量，可分为，可分为单一单一空隙介质空隙介质渗流模型、渗流模型、双

48、重空隙介质双重空隙介质渗流模型和渗流模型和三重空隙介质三重空隙介质渗渗流模型。流模型。 1、单一空隙介质渗流模型、单一空隙介质渗流模型 v 包括包括包括包括等效连续介质等效连续介质渗流模型和渗流模型和非连续介质非连续介质渗流模型。渗流模型。v 非连续介质渗流模型是真正意义的非连续介质渗流模型是真正意义的裂隙网络裂隙网络渗流模型，它以岩渗流模型，它以岩体裂隙网络中的体裂隙网络中的裂隙个体裂隙个体为研究对象，建立裂隙个体水流运动为研究对象，建立裂隙个体水流运动方程，将所有方程组合在一起从而可以确定裂隙网络中水流特方程，将所有方程组合在一起从而可以确定裂隙网络中水流特征。征。 3 3 矿井突水渗流研

49、究现状矿井突水渗流研究现状2、双重空隙介质渗流模型、双重空隙介质渗流模型 v 包括包括狭义狭义和和广义广义两种模型。两种模型。 。v 狭义双重空隙介质渗流模型双重空隙介质渗流模型又称狭义双重空隙介质渗流模型双重空隙介质渗流模型又称孔隙孔隙裂隙裂隙介质渗流模型。该模型认为裂隙岩体是由介质渗流模型。该模型认为裂隙岩体是由储水性差而导水储水性差而导水性很强性很强的的裂隙裂隙系统和系统和储水性好而导水性弱储水性好而导水性弱的岩块的岩块孔隙孔隙系统共同系统共同组成的的统一体。组成的的统一体。 v 广义的双重介质渗流模型是对狭义双重介质渗流理论的发展。广义的双重介质渗流模型是对狭义双重介质渗流理论的发展。

50、该模型将裂隙岩体中的裂隙按对水渗流所起的作用划分为该模型将裂隙岩体中的裂隙按对水渗流所起的作用划分为主干主干裂隙裂隙和和次要裂隙次要裂隙。主干裂隙是裂隙水的主要通道；次要裂隙主。主干裂隙是裂隙水的主要通道；次要裂隙主要起储水作用。对要起储水作用。对主干裂隙网络主干裂隙网络建立建立非连续介质非连续介质渗流模型，对渗流模型，对次要裂隙网络次要裂隙网络连同主干裂隙间岩块中的连同主干裂隙间岩块中的孔隙孔隙建立建立等效连续介质等效连续介质渗流模型，将二者有机地耦合在一起组成联合模型。渗流模型，将二者有机地耦合在一起组成联合模型。 3 3 矿井突水渗流研究现状矿井突水渗流研究现状3、三重空隙介质渗流模型、