摘要
煤矿开采过程中，受采动作用影响，采空区上部水文地质结构会发生改变，其改变可能会导致矿井突水溃砂安全生产事故的发生，对矿山生产安全、矿山人员安全和社会财富构成严重威胁，为了减少突水灾害的发生，保证对矿区煤层进行有序开采，本文对煤系覆岩水文地质结构的采动损伤及响应机制进行了探究，为该区域的煤矿安全开采提供合理的依据。 本文通过收集、分析、整合一定数量的钻孔资料，并使用Aquaveo GMS Premium地质建模软件，建立研究区三维水文地质结构模型，将研究区含、隔水层自下而上概化为3-1煤层、基岩相对隔水层、风化基岩裂隙含水层、黄土（红土）隔水层、第四系松散含水层，宏观展现了研究区水文地质结构的分布状态及其形态特征。 依据锦界煤矿31105工作面实际工程地质条件和相似原理，研究采动含、隔水层结构采动损伤规律。随着工作面推进，采空区不断扩大，对于隔水层，在初次垮落发生时造成煤层直接顶砂质泥岩隔水层的隔水性开始失效，进入垮落带发育阶段，直接顶砂质泥岩隔水层大面积失效，导裂带快速发育阶段，覆岩中的裂缝不断向上发育，最终导裂带发育高度突破砂岩承压含水层底部砂质泥岩隔水层，该层隔水性能开始失效。而对于含水层，采动损伤主要集中于导裂带快速发育阶段，含水层中裂缝发育，渗透性增大，最终导裂带沟通承压含水层，突水事故随着发生。通过PCAS处理分析相似材料模型试验开采过程中的裂隙发育规律。煤层开采过程中，受采动影响裂隙的变化过程大致可分为四个阶段：产生-快速发育-部分贯通-部分闭合。在相似模型煤层上部覆岩中布设应力传感器，监测含、隔水层受采动作用影响的应力动态变化并总结规律：当煤层开采接近测点时出现增压状态，受煤壁支撑影响，当煤层采动位于测点下方时，出现卸压现象，岩层垮落或向下弯曲变形；且采动影响下岩层中应力的变化由近及远，影响程度变小，影响时间滞后。 利用FLAC3D数值模拟软件建立流固耦合模型，考虑渗流、承压水状态下，采动中的渗流场动态变化规律以及验证相似材料模型试验的含、隔水层结构采动损伤规律。通过分析应力云图与监测点应力曲线，以及塑性区动态发育变化情况，基本上验证了相似模型试验中含、隔水层结构采动损伤规律与应力动态变化规律，并通过渗流速度矢量图及含水层中布设的孔隙水压监测点数据，分析采动中含水层渗流动态变化规律。随着工作面推进，含水层中孔隙水压呈现先下降减小后上升恢复。渗流场的渗流速度呈现随工作面推进变大，且变化范围会跟随含、隔水层中塑性区的发展，由直接顶砂质泥岩隔水层开始，最终贯通承压含水层，最终整个塑性区渗流速度都呈现放大趋势。 综上所述，煤系覆岩水文地质结构采动损伤及响应机制即为采动过程中含、隔水层结构破坏规律与采动渗流场规律共同作用形成，受采动影响覆岩中煤层顶部隔水层发生垮塌产生裂隙导致其隔水性能失效，导水裂隙向上延伸沟通含水层，从而导致采动渗流场发生大规模紊乱，含水层中的水作为突水水源，沿着裂隙涌入工作面发生突水。
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