中国矿业大学马丹教授研究团队系统总结了国内外学者近年来在煤矿突水的岩体渗流机理方面的研究进展，将煤矿突水的岩体渗流机理研究成果细分为3个主要研究方向加以综述，即：流固耦合、流态转捩、岩体冲蚀，讨论了各研究方向存在的若干开放性问题，并对未来研究方向提出了展望。相关成果以“A state-of-the-art review on rock seepage mechanism of water inrush disaster in coal mines”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology (IJCST) ，点击这里，免费下载全文。
封面基于本论文学术思想，绘制了煤矿底板断层突水的典型模式，反映了煤矿突水过程存在的流固耦合、流态转捩、岩体冲蚀等三种现象。在采掘应力扰动及地下水渗流耦合作用下，导水通道在岩体内部不断形成、扩展，最终致使地下水从含水层涌入采掘工作面。同时，流体运动状态由含水层中的达西流，到岩体裂隙导水通道中的非达西流，最终转变为工作面内的紊流。此外，在导水通道内存在岩体冲蚀效应，可观测到岩石颗粒在水流作用下向突水口迁移运动，进一步促进导水通道的扩展。
研究背景
煤炭是我国的主体能源，近五年约占一次能源消费总量的60%。但由于我国煤矿水文地质条件复杂，煤炭的大规模开采不可避免会造成突水灾害的发生。在过去20年间，全国煤矿发生近1200起突水事故，造成了大量的人员死亡和经济损失，且近年来突水事故呈逐年上升趋势。因此，突水始终是制约我国煤炭安全开采的重大难题。
研究进展综述
水源和导水通道是突水两要素，但由于疏水降压难度大且破坏含水层，因此，研究导水通道的形成机制及控制方法是破解突水防控难题的主要途径。根据不同视角下的突水演化特征，可以从流固耦合、流态转捩、岩体冲蚀等三个主要方面研究导水通道的形成机理（图1）。
图1 两种经典突水模式及主要因素
流固耦合机理被认为是煤矿突水过程中的一个重要研究方向。通过数值方法和实验分析，现有研究充分分析了突水过程中岩体应力场和渗流场的演化规律（图2）。
图2 陷落柱贯通前后工作面损伤区和渗流矢量演化
摘自Ma et al. (2016) Effect of mining on shear sidewall groundwater inrush hazard caused by seepage instability of the penetrated karst collapse pillar. Nat Hazards 82:73–93
近年来，学者们通过一系列数值和实验方法探索了岩体内地下水流态转捩机理，其中尤其重视多孔岩体和岩体裂隙介质中的地下水非达西流运动规律（图3）。
图3 破碎岩样非线性水力特性测试结果
摘自Ma et al. (2019) Effects of seepage-induced erosion on nonlinear hydraulic properties of broken red sandstones. Tunn Undergr Space Technol 91:102993
学者们对煤矿突水过程中的岩体冲蚀机理进行了大量的数值和实验研究。这些研究探明了突水过程中岩石颗粒的启动和运移规律，充分分析了冲蚀效应对岩体介质水力力学特性的影响（图4）。
图4 岩体冲蚀效应研究的试验装置及测试结果
摘自Wang et al. (2017) An experimental investigation for seepage-induced instability of confined broken mudstones with consideration of mass loss. Geofluids 2017: 3057910; Feng et al.(2018) Experimental investigation on the seepage property of saturated broken red sandstone of continuous gradation. Bull Eng Geol Environ 77:1167–1178; Ma et al. (2017) Variations of hydraulic properties of granular sandstones during water inrush: effect of small particle migration. Eng Geol 217:61–70; Liang et al. (2008) Dissolution and seepage coupling effect on transport and mechanical properties of glauberite salt rock. Transp Porous Media 74:185–199
未来展望
（1）现有煤矿突水预警方法主要基于对岩体力学特征的评价，如通过分析冒落带或导水裂隙带发育特征对突水程度进行辨识，但与岩体渗流场演变特征相关的突水前兆信息有待深入研究。
（2）现有研究难以定量解释地下水流态转捩现象与突水灾害发生的直接联系，如何以流态转捩定量表征突水灾变过程并提出相应突水判据仍是亟待解决的难题。
（3）现有岩体冲蚀理论大多将岩体视为等效连续介质，细观力学尺度上岩石冲蚀、岩体损伤与微裂纹扩展之间关系及宏细观的跨尺度表征方法仍待进一步探索。
作者简介
马丹，中国矿业大学教授，博士生导师，主持国家优秀青年科学基金项目、国家重点研发计划青年科学家项目及企业技术创新项目等共20余项。入选爱思唯尔矿业工程领域中国高被引学者、全球前2%顶尖科学家、中国科协青年人才托举工程、江苏青年科技创新U35攀峰奖。获省级科技奖3项、中国煤炭工业科技奖2项；以一作/通讯发表“三高论文”50余篇，被引2000余次，H因子28；获授权中国、澳大利亚等国内外发明专利15件。担任中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会常务理事，矿业工程领域权威EI期刊《采矿与安全工程学报》编委，IJCST、JCSU等期刊科学编辑/青年编委。研究方向包括：资源绿色开采、灾害智能防控、岩体渗流力学等。
引用格式： Ma, D., Duan, H., Zhang, J. et al. A state-of-the-art review on rock seepage mechanism of water inrush disaster in coal mines. Int J Coal Sci Technol 9, 50 (2022). https://doi.org/10.1007/s40789-022-00525-w
