采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究

梁涛^1,2，刘晓丽²，王思敬³

1. 航天建筑设计研究院有限公司2. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点试验室3. 中科院地质与地球物理研究所

摘 要：采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论,得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律,并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗流公式,得到了渗透系数随开采进程及裂隙扩展的关联性演化规律及其相应的理论公式。在此基础上,利用大型相似材料物理模型试验,通过对采动影响下上覆岩层垮落后的裂隙网络物理模型进行钻孔电视成像,得到采动裂隙分布,并应用推导的渗透系数关联演化理论公式计算出含裂隙网络的模型试验介质的渗透系数,同时,利用钻孔注水试验验证了渗透系数理论模型的正确性。研究表明,采动裂隙在水平方向分布类似"W"形;而在垂直方向,总体上分形维数随高度增加而减小,减小幅度为4.32%～11.40%。然而在裂隙带与弯曲带交接部位,由于离层裂隙的存在,使分形维数较垮落带增大约3.47%。采动裂隙渗透系数与采动裂隙分布相关,在水平向上大体呈"V"形分布,总体上中间分区渗透系数相对较低,两端分区渗透系数相对较高。随着竖向分区增高,渗透系数逐渐减小,在裂隙带和弯曲带交接部位离层裂隙发育,使该区域渗透系数显著增大。本文推导的采动裂隙渗透系数关联演化理论公式,是定量研究采动影响下上覆岩层的渗透特性变化有益尝试。

关键词：采动裂隙;裂隙演化;分形维数;物理模型试验;渗透特性;