深部高围压含水与采矿诱发应力下断裂砂岩的渗流特性

为什么水透过岩体很关键

深部煤矿不仅要应对高温和岩压，还位于强大地下含水体之上。如果受压的地下水找到流入巷道的快速通道，就可能引发称为涌水的突发洪水灾害。本研究考察了百米甚至千米深处断裂砂岩中的渗流行为，以及裂缝形态和周围岩体挤压力如何共同决定一条断裂是成为危险泄漏通道还是天然阻隔。

深煤层下的隐蔽水系

该研究以中国兴东煤矿为背景，那里煤层埋深超过一公里，上方为富水的厚石灰岩层。煤层与含水层之间的砂岩受自然形成及采矿扰动产生的裂隙切割，这些裂隙可演变为地下水的高速通道。作者关注砂岩中的单条裂缝，将其视为一个微型水管，其输水能力取决于裂面粗糙度、裂隙宽度和深部应力下的挤压程度。

在实验室重建真实断裂

为模拟实际采矿条件，研究组从矿区采集砂岩样本，并用特制金属楔精确劈裂出试样，得到五组具有可控粗糙度的裂面，从近乎光滑到非常粗糙。他们对裂面进行了三维扫描以量化凸凹特征，然后将每个样本装入三轴试验装置，在侧向施加围压的同时强制水流通过裂缝。通过改变围压与水压，研究人员观察了不同条件下渗流随时间的演化。

挤压与水压的博弈

实验显示围压与水压之间存在拉锯博弈。随着样本周围围压增加，裂缝被部分闭合，流量先急剧下降，随后下降速度减缓，最终在裂缝几乎压实时趋于平稳。作者将该演化分为三个阶段：早期弹性阶段，裂面迅速弯曲闭合；中期过渡阶段，微小凸起被压碎或重排；最终平衡阶段，进一步加压对流量影响甚微。水压则相反：较高的水压显著提升流量，并在一定程度上撑开裂缝，尤其当水压超过约5兆帕时更为明显。实质上，水压可以抵消部分来自周围岩体的闭合作用。

为何裂缝粗糙度和宽度改变结论

不同裂缝的行为各异。起初更光滑、更宽的裂缝输水能力更强，使其成为突发涌水的高风险通道，但它们对围压更为敏感，在受压时渗透性迅速降低。相比之下，粗糙裂缝具有参差互锁的表面，起始流量较低，因为流路更长且更加曲折。随着时间推移，颗粒和微小岩屑在这些粗糙通道内移动并沉积，磨损凸起并填充空隙，进一步削弱流量。研究通过把常用的粗糙度指标和初始裂隙开度与在高压作用下数小时固化后的长期稳定渗透率联系起来，量化了这种行为。

从实验曲线到更安全的矿山

基于所有试验数据，作者导出了可预测裂缝在深部高压条件下稳定行为的简单数学关系。公式表明，较高的粗糙度和较小的开度会导致较低的长期渗流，而高水压及更光滑、更宽的裂缝有利于持续流动。对矿山规划者和安全工程师而言，这意味着位于煤层下方的光滑开阔裂缝和断层带应当予以重点关注与加固，而粗糙、紧闭的裂缝则可能在一定程度上自然限制水流。总体上，这项工作为深部矿下隐蔽水系提供了更清晰的认识，并提供了实用工具以评估和降低灾难性涌水风险。

引用: Tu, H., Wu, R., Jia, S. et al. Seepage characteristics of fractured sandstone under deep high-confined water and mining-induced stress. Sci Rep 16, 11507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42285-6

关键词: 深部采矿, 地下水流动, 破裂岩体, 水冲入灾害, 砂岩渗透性