一种针对深煤层底部的新型耦合渐进腐蚀-水锤冲击模型

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：A novel coupled progressive corrosion–water hammer inrush model for deep coal seam floors

水锤效应通过瞬时截断和反复传导作用导致深层地板岩体断裂，形成水涌入通道。研究基于 Xingdong 煤矿地质条件，建立渐进腐蚀断裂力学（PCFM）模型，揭示水锤压力与流速正相关，化学腐蚀加剧岩体损伤，并通过 COMSOL 模拟验证不同岩体裂隙厚度下水锤压力分布规律。提出多级注浆控制水涌入技术，有效降低裂隙连通性。

　　水灾是煤炭开采过程中经常发生的一种重大灾害，其中，煤层底部的水涌问题尤为突出。这种灾害对深部煤矿的安全和生产造成严重威胁。主要原因在于岩石结构的破裂会导致含有动能和势能的流体（如水）的形成。本文基于中国兴东煤矿的研究，提出了一种新的深部底部水涌机制，即水锤效应。水锤压力在岩体孔隙通道中对周围岩石产生不同的影响，从而导致岩石结构通道的反复传导和瞬时截断。为了进一步研究这一现象，建立了一个由水锤引起的渐进腐蚀断裂力学（PCFM）模型。研究结果表明，由于水流动态变化，瞬时通道截断所导致的水锤压力会随着水流速度的增加而升高。此外，化学损伤因子（即应力腐蚀断裂）也被纳入到Dugdale–Barenblatt（D-B）模型中，以分析影响PCFM的因素。这些发现表明，岩石损伤程度越高，隐伏断层发生水涌的可能性越大。最后，提出了一些控制水锤效应导致的深部底部水涌的方法。水锤和PCFM的失效机制为控制深部底部水涌提供了理论和实践指导。

在中国，煤炭不仅是重要的能源来源，同时也是水灾频发的地区之一。尤其是深部煤层底部的水害，对华北地区的煤矿构成了重大威胁，因为广泛分布的石炭纪-二叠纪煤田中，奥陶纪石灰岩含水层的水压极高，可达15 MPa，难以有效预防和控制。煤矿开采过程中，应力扰动会改变岩层的物理和力学状态，导致奥陶纪石灰岩水的迁移。这种现象主要表明，原岩和构造应力持续增加，而周围岩体的塑性也随之增加。此外，水力-化学腐蚀也会促进岩层裂缝的长期发展。因此，研究人员在过去几十年里逐渐开始研究水涌机制。在20世纪80年代和90年代，一些研究者提出了关于煤层底部水涌原因的理论。水锤效应可能对岩体孔隙造成损害，改变水涌通道的状态，甚至导致水涌的形成。许多研究显示，许多深部底部结构和孔隙并不具有导水能力，且缺乏水源。理论上，小裂缝或间隙中水流的传导和截断过程存在不同的速度范围。当水流通过狭窄的压强管道时，即使水压降低，也可能出现自由喷射效应。例如，水流的汇合可能导致水锤效应和压力管道流。由于采矿活动、构造运动、地热活动、地震或水流循环，岩体裂缝可能会突然关闭或打开，从而引起水压的剧烈变化。

在这一基础上，本文首先分析了华北型煤田中由于水锤效应引起的煤矿水灾特征，以便更好地理解深部煤层开采中底部破坏的机械行为以及水锤效应的潜在影响。随后，首次引入了水锤效应引起管道失效的经典概念，并阐明了由底部岩体破坏引发的水涌的理论内涵。此外，建立了渐进腐蚀断裂力学（PCFM）模型，并分析了影响水涌的因素。最后，提出了在水锤效应影响下控制深部底部水涌的方法。

在工程流体力学中，阀门经常被开闭以调节管道中的水流。当压强管道中的水流因阀门或水泵突然停止时，流体的速度和动量会显著变化，从而导致流体压力的波动。这种压力变化会在阀门或管道壁上产生锤击效应。管道中的水锤现象在日常生活中也较为常见，例如水管道的振动和嗡嗡声。强调水锤效应在工程系统中可能带来的重大风险，尤其是在压力波动发生时。值得注意的是，水锤效应可能对岩体孔隙造成损害，改变水涌通道的状态，并促成水涌的形成。许多研究还表明，许多深部底部结构和孔隙并不具有导水能力，且缺乏水源。理论上，小裂缝或间隙中水流的传导和截断过程存在不同的速度范围。当水流通过狭窄的压强管道时，即使水压降低，也可能出现自由喷射效应。例如，水流的汇合可能导致水锤效应和压力管道流。裂缝可能会由于采矿活动、构造运动、地热活动、地震或水流循环而突然关闭或打开，从而引起水压的剧烈变化。

基于上述背景，本文首先分析了华北型煤田中由于水锤效应引起的煤矿水灾特征，以便更好地理解深部煤层开采中底部破坏的机械行为以及水锤效应的潜在影响。随后，首次引入了水锤效应引起管道失效的经典概念，并阐明了由底部岩体破坏引发的水涌的理论内涵。此外，建立了渐进腐蚀断裂力学（PCFM）模型，并分析了影响水涌的因素。最后，提出了在水锤效应影响下控制深部底部水涌的方法。

在工程流体力学中，阀门经常被开闭以调节管道中的水流。当压强管道中的水流因阀门或水泵突然停止时，流体的速度和动量会显著变化，从而导致流体压力的波动。这种压力变化会在阀门或管道壁上产生锤击效应。管道中的水锤现象在日常生活中也较为常见，例如水管道的振动和嗡嗡声。强调水锤效应在工程系统中可能带来的重大风险，尤其是在压力波动发生时。值得注意的是，水锤效应可能对岩体孔隙造成损害，改变水涌通道的状态，并促成水涌的形成。许多研究还表明，许多深部底部结构和孔隙并不具有导水能力，且缺乏水源。理论上，小裂缝或间隙中水流的传导和截断过程存在不同的速度范围。当水流通过狭窄的压强管道时，即使水压降低，也可能出现自由喷射效应。例如，水流的汇合可能导致水锤效应和压力管道流。裂缝可能会由于采矿活动、构造运动、地热活动、地震或水流循环而突然关闭或打开，从而引起水压的剧烈变化。

本文的研究重点在于探讨水锤效应与深部煤层底部破坏之间的相互作用。在华北型煤田中，水涌点的分布和特征受到多种因素的影响，包括原岩应力、构造条件、受限水压和采矿影响。水锤效应可以显著改变岩体裂缝的形态和位置，从而增加水涌的风险。此外，隐伏断层的导水能力可能因水锤效应而增强，进而导致水涌的发生。研究还指出，水锤效应引起的水涌可能与裂缝的宽度、表面粗糙度和水压有关。例如，裂缝宽度较大且表面粗糙度较低时，水锤效应可能更易导致水涌。水锤压力的变化与裂缝的尺寸变化密切相关，裂缝的扩展和收缩会影响水压的分布和流动。因此，研究水锤效应对裂缝的冲击作用，有助于理解水涌的发生机制。

在华北型煤田中，水涌点的分布和特征受到多种因素的影响，包括原岩应力、构造条件、受限水压和采矿影响。水锤效应可以显著改变岩体裂缝的形态和位置，从而增加水涌的风险。此外，隐伏断层的导水能力可能因水锤效应而增强，进而导致水涌的发生。研究还指出，水锤效应引起的水涌可能与裂缝的宽度、表面粗糙度和水压有关。例如，裂缝宽度较大且表面粗糙度较低时，水锤效应可能更易导致水涌。水锤压力的变化与裂缝的尺寸变化密切相关，裂缝的扩展和收缩会影响水压的分布和流动。因此，研究水锤效应对裂缝的冲击作用，有助于理解水涌的发生机制。

本文提出的PCFM模型基于对深部煤矿的系统实地调查，特别是在中国汉兴矿区。这些实地调查发现，高水压侵入和水锤效应频繁导致底部岩体破坏，同时复杂的应力条件下岩体呈现渐进破坏的特征。当煤层底部未受到采矿活动影响时，它包含多个方向的随机分布的初始裂缝。在孔隙水压和采矿诱导应力的共同作用下，满足裂缝扩展和连接条件的裂缝会逐渐扩展并形成渗流通道。水锤效应可以导致岩体裂缝中形成水楔效应，从而引发水楔诱导的裂缝。如果在水楔诱导裂缝上方存在隐伏断层或小结构，隐伏断层的翼形传播裂缝将与水楔裂缝相关联。在这种情况下，含水层进一步沿着隐伏断层上升。这一过程类似于Li（1999）提出的含水层上升机制。

在裂缝尖端，由于水锤压力，水楔可能形成。水进入裂缝并在含水层的静水压力下导致裂缝扩展和延长。在水锤效应下，裂缝的扩展和传播会受到水压和化学作用的共同影响。在研究中，我们假设了一个二维的水涌通道，即在公式（10）中，岩体管道的直径d被视为一个变量，即二维裂缝宽度B。水楔诱导裂缝的渐进破坏模型如图10b所示。我们假设含水层向岩体挤入的过程是一个水锤剪切裂缝区的主要裂缝中的单向流动，其中x表示主要裂缝的发展方向。

在含水层流动方向上的任意点x处的水压被假设为p，而岩体裂缝面的粗糙度系数被假设为K。因此，裂缝岩体元素的中点处的水压为，而岩体渗流管道的壁阻力为。假设裂缝厚度为1，考虑到裂缝的倾斜角θ非常小，并且忽略裂缝尖端处水流动态和时间的变化，我们可以得到以下方程：

由于dB = θdx，其中θ是一个小量，而dB是一个二阶轨迹，因此可以忽略。这样，公式（13）可以重新表示为：

通过求解公式（14），我们可以得到：

因此，裂缝在周期性衰减水锤压力下的传播长度可以表示为：

公式（16）描述了水锤压力导致岩体中水楔的渐进破坏和裂缝传播。水楔的破坏深度和裂缝传播深度与水锤压力直接相关。此外，较大的裂缝宽度和较低的粗糙度会导致更大的水楔裂缝深度。当水压下降到一个大气压（0.098 MPa）时，岩体裂缝会扩展。因此，裂缝发展的深度由以下公式给出：

假设岩体裂缝面的粗糙度系数K = 0.1，根据公式（17），在不同条件下，水楔裂缝的传播长度可以得到。随着裂缝宽度B的增加，水楔裂缝的传播长度线性增加。同时，增加Ps也会导致裂缝的扩展。在深度约为1公里的深部采矿中，典型的含水层压力范围为8 MPa至15 MPa。在此范围内，当B = 40 cm时，单侧水楔裂缝可以延伸至20米。这一发现表明，当岩体中存在预存的结构裂缝且裂缝宽度相对较大时，水锤压力的驱动作用会显著增加水楔沿原有裂缝路径的渗透深度。

水锤效应对隐伏断层的水力行为具有重要影响。研究使用化学损伤测试结果来解释石灰岩的破坏机制。通过SEM图像可以看出，石灰岩样本的原始状态中颗粒胶结长度约为7微米。然而，在水力化学相互作用发生后，表面腐蚀变暗，腐蚀深度增加。此外，外层颗粒呈现出脱落和蜂窝状分布的现象。在水力和化学力的作用下，岩样中的微裂缝继续发展，微孔变深。图12展示了岩体耦合水力-机械（HM）损伤裂缝传播的概念。

水力化学应力腐蚀的长期影响导致孔隙和裂缝渗透到岩石颗粒之间的间隙。水中的化学物质渗透并扩散，从而改变岩石的原始连通性。随着新裂缝增长和传播的影响，岩体损伤加剧。特别是，当水力化学耦合达到特定水平时，会形成许多应力腐蚀诱导的穿晶裂缝。预存的孔隙和裂缝在应力作用下继续扩展并相互连接，从而生成宏观扩展裂缝和潜在的渗流通道。如图13所示，兴东煤矿的岩芯样本表明石灰岩的完整性较差，溶解严重。先前的研究表明，机械破坏后，岩体表面的磨损和溶解相互加强。研究人员目前正使用核磁共振（NMR）技术来研究岩石的化学腐蚀机制。

不同化学溶液中砂岩特异性夹杂物的T2分布如图14所示。各种化学处理导致的岩体变化表明新孔隙的形成，以及现有孔隙因化学腐蚀而扩展。经过水化学腐蚀处理后，大孔隙的比例增加，而小孔隙的比例减少。水力化学应力腐蚀的长期影响导致孔隙和裂缝渗透到岩石颗粒之间的间隙。水中的化学物质渗透并扩散，从而改变岩石的原始连通性。随着新裂缝增长和传播的影响，岩体损伤加剧。特别是，当水力化学耦合达到特定水平时，会形成许多应力腐蚀诱导的穿晶裂缝。预存的孔隙和裂缝在应力作用下继续扩展并相互连接，从而生成宏观扩展裂缝和潜在的渗流通道。如图13所示，兴东煤矿的岩芯样本表明石灰岩的完整性较差，溶解严重。先前的研究表明，机械破坏后，岩体表面的磨损和溶解相互加强。研究人员目前正使用核磁共振（NMR）技术来研究岩石的化学腐蚀机制。

在不同的化学溶液中，砂岩特异性夹杂物的T2分布如图14所示。各种化学处理导致的岩体变化表明新孔隙的形成，以及现有孔隙因化学腐蚀而扩展。经过水化学腐蚀处理后，大孔隙的比例增加，而小孔隙的比例减少。水力化学应力腐蚀的长期影响导致孔隙和裂缝渗透到岩石颗粒之间的间隙。水中的化学物质渗透并扩散，从而改变岩石的原始连通性。随着新裂缝增长和传播的影响，岩体损伤加剧。特别是，当水力化学耦合达到特定水平时，会形成许多应力腐蚀诱导的穿晶裂缝。预存的孔隙和裂缝在应力作用下继续扩展并相互连接，从而生成宏观扩展裂缝和潜在的渗流通道。如图13所示，兴东煤矿的岩芯样本表明石灰岩的完整性较差，溶解严重。先前的研究表明，机械破坏后，岩体表面的磨损和溶解相互加强。研究人员目前正使用核磁共振（NMR）技术来研究岩石的化学腐蚀机制。

隐伏断层或小结构在应力作用下可能会发生水力化学应力腐蚀。这种腐蚀会增加裂缝的宽度，从而降低岩体的稳定性。同时，水力化学耦合会加速水涌通道的形成。因此，应力诱导的化学腐蚀在岩体裂缝中值得考虑。研究指出，岩石的机械特性主要由裂缝的尺度效应决定。岩石的性质会随着考虑的工程岩体范围而变化。隐伏断层在应力作用下的水涌特性是典型的岩石断裂力学问题。因此，隐伏断层或小结构可以简化为具有特定长度和尖端的裂缝。断裂力学可以用来分析水和岩体压力引起的断层传播行为。基于经典断裂力学中的Dugdale–Barenblatt（D-B）模型，我们可以假设水压作用于隐伏裂缝的内侧，并且在裂缝距离内存在原位应力。裂缝长度为2a，如图15a所示。

在裂缝尖端传播区域，均匀拉应力σt作用于裂缝的上下表面。它试图在传播区域的裂缝尖端闭合，而裂缝腐蚀屈服区的传播长度R可以表示为：

裂缝尖端的应力强度因子KⅠ可以分为两部分（点A或B）。一部分是由于均匀水压和周围岩体应力引起的K_I1，另一部分是由于屈服区分布应力–σt引起的K_I2。在积分后，公式（20）变为：

由于水力化学耦合作用，裂缝尖端存在一个水化学损伤区域。该区域是水岩化学作用最活跃的地方，特别是在应力作用下。经过长期应力腐蚀后，隐伏断层和含水层逐渐破裂，导致水涌。化学损伤改变了岩石材料的固有机械特性。因此，为了解释和量化水岩相互作用的机械效应，将化学损伤因子D（σt）纳入D-B模型中（即考虑化学损伤的隐伏断层渐进腐蚀断裂模型）。经过局部化学损伤的裂缝可以简化为如图15b所示的线性断裂力学模型。在张力模式II裂缝过程中，岩石的时变损伤可以表示为：

裂缝尖端的总应力强度因子由以下公式计算：

值得注意的是，公式（23）的前两个方程（公式（21）和（22））存在随机性或受误差影响。Barenblatt（1962）指出，由于均匀应力p–σ和屈服区应力σt的作用，裂缝尖端（±C）的应力不能无限大。裂缝尖端的粘聚模型位于裂缝尖端未发展的地方，裂缝尖端A和B处的应力不是各向异性的。因此，在这一点上，应力强度因子为零。使用K_I = 0，我们可以得到：

因此，当考虑应力腐蚀损伤时，水压作用下裂缝两端的裂隙扩展区长度由以下公式给出：

通过研究兴东煤矿的实际情况，我们发现隐伏断层或小结构可以简化为具有特定长度和尖端的裂缝。裂缝力学可以用来分析水和岩体压力引起的断层传播行为。基于经典断裂力学中的Dugdale–Barenblatt（D-B）模型，我们可以假设水压作用于隐伏裂缝的内侧，并且在裂缝距离内存在原位应力。裂缝长度为2a，如图15a所示。

在裂缝尖端传播区域，均匀拉应力σt作用于裂缝的上下表面。它试图在传播区域的裂缝尖端闭合，而裂缝腐蚀屈服区的传播长度R可以表示为：

裂缝尖端的应力强度因子KⅠ可以分为两部分（点A或B）。一部分是由于均匀水压和周围岩体应力引起的K_I1，另一部分是由于屈服区分布应力–σt引起的K_I2。在积分后，公式（20）变为：

由于水力化学耦合作用，裂缝尖端存在一个水化学损伤区域。该区域是水岩化学作用最活跃的地方，特别是在应力作用下。经过长期应力腐蚀后，隐伏断层和含水层逐渐破裂，导致水涌。化学损伤改变了岩石材料的固有机械特性。因此，为了解释和量化水岩相互作用的机械效应，将化学损伤因子D（σt）纳入D-B模型中（即考虑化学损伤的隐伏断层渐进腐蚀断裂模型）。经过局部化学损伤的裂缝可以简化为如图15b所示的线性断裂力学模型。在张力模式II裂缝过程中，岩石的时变损伤可以表示为：

裂缝尖端的总应力强度因子由以下公式计算：

值得注意的是，公式（23）的前两个方程（公式（21）和（22））存在随机性或受误差影响。Barenblatt（1962）指出，由于均匀应力p–σ和屈服区应力σt的作用，裂缝尖端（±C）的应力不能无限大。裂缝尖端的粘聚模型位于裂缝尖端未发展的地方，裂缝尖端A和B处的应力不是各向异性的。因此，在这一点上，应力强度因子为零。使用K_I = 0，我们可以得到：

因此，当考虑应力腐蚀损伤时，水压作用下裂缝两端的裂隙扩展区长度由以下公式给出：

通过研究兴东煤矿的实际情况，我们发现隐伏断层或小结构可以简化为具有特定长度和尖端的裂缝。裂缝力学可以用来分析水和岩体压力引起的断层传播行为。基于经典断裂力学中的Dugdale–Barenblatt（D-B）模型，我们可以假设水压作用于隐伏裂缝的内侧，并且在裂缝距离内存在原位应力。裂缝长度为2a，如图15a所示。

在裂缝尖端传播区域，均匀拉应力σt作用于裂缝的上下表面。它试图在传播区域的裂缝尖端闭合，而裂缝腐蚀屈服区的传播长度R可以表示为：

裂缝尖端的应力强度因子KⅠ可以分为两部分（点A或B）。一部分是由于均匀水压和周围岩体应力引起的K_I1，另一部分是由于屈服区分布应力–σt引起的K_I2。在积分后，公式（20）变为：

由于水力化学耦合作用，裂缝尖端存在一个水化学损伤区域。该区域是水岩化学作用最活跃的地方，特别是在应力作用下。经过长期应力腐蚀后，隐伏断层和含水层逐渐破裂，导致水涌。化学损伤改变了岩石材料的固有机械特性。因此，为了解释和量化水岩相互作用的机械效应，将化学损伤因子D（σt）纳入D-B模型中（即考虑化学损伤的隐伏断层渐进腐蚀断裂模型）。经过局部化学损伤的裂缝可以简化为如图15b所示的线性断裂力学模型。在张力模式II裂缝过程中，岩石的时变损伤可以表示为：

裂缝尖端的总应力强度因子由以下公式计算：

值得注意的是，公式（23）的前两个方程（公式（21）和（22））存在随机性或受误差影响。Barenblatt（1962）指出，由于均匀应力p–σ和屈服区应力σt的作用，裂缝尖端（±C）的应力不能无限大。裂缝尖端的粘聚模型位于裂缝尖端未发展的地方，裂缝尖端A和B处的应力不是各向异性的。因此，在这一点上，应力强度因子为零。使用K_I = 0，我们可以得到：

因此，当考虑应力腐蚀损伤时，水压作用下裂缝两端的裂隙扩展区长度由以下公式给出：

在华北型煤田中，水涌与多种因素相关，包括原岩应力、构造、受限水压和采矿影响。因此，采用灌浆控制方法在深部厚含水层中具有显著优势。当灌浆用于防止和控制水锤效应引起的水涌时，应考虑工作面的几何形状、区域的结构特征以及在地面合适位置的钻孔布置。选择适合奥陶纪石灰岩含水层不同发育程度和高度的灌浆层对于控制水涌至关重要。值得注意的是，在我们之前的研究中，多级协同灌浆控制方法已被成功应用于奥陶纪石灰岩和其他可溶性岩层，如图20a和b所示。

多级协同灌浆方法适用于孔隙率低且溶洞发育少的岩层。在兴东煤矿的案例中，煤层底部含水层较厚，且中下部的奥陶纪石灰岩含水层具有较高的孔隙率或溶洞特征。考虑到水锤效应引起的水涌控制，多级协同灌浆方法被用于模拟。这种方法在实际应用中已被证明是有效的。多级协同灌浆技术基于单级灌浆的70–90米的奥陶纪石灰岩关键溶解含水层。同时，次级层（0–70米和80–120米）的钻孔密度协同灌浆技术也被补充到奥陶纪石灰岩层中。与单级灌浆压力（10 MPa）相比，多级协同灌浆压力增加到12 MPa。同时，在多级协同灌浆方法中，总共有14个分支孔被布置在2129工作面区域。多级协同灌浆技术主要控制在奥陶纪石灰岩含水层顶部以下的三个层次（117–78米、70–90米和10–50米）。每个孔在空间中布置，并且孔间距不超过60米。这种方法有效切断了岩体裂缝通道，并减少了水锤效应引起的水涌通道的扩展程度。如图21所示，灌浆方法通过向裂缝或孔隙中注入浆液，不损坏岩层的构造应力，从而填充孔隙和空洞。灌浆工程使用连续高压灌浆在不同区域和顺序中进行，以阻断含水层的水涌通道，并改变断层底部的弱区。多级协同灌浆控制方法不仅可以填充孔隙和空洞，还可以减少由于水锤效应引起的岩体裂缝扩展的风险。

本文研究了水锤效应对深部煤层底部水涌的影响，提出了新的水涌机制。研究还发现，水锤效应和采矿应力扰动是引发煤层底部水涌的主要因素。因此，矿工通常会在采矿过程中出现压力、底板膨胀或其他水涌迹象时采取措施停止采矿。只有在顶板和底板恢复稳定后，采矿才会重新开始。当煤层再次被开采时，必须停止采矿，直到采矿宽度接近之前的采矿宽度且没有水涌迹象，以稳定顶板和底板。这种间歇性采矿方法通过利用顶板和底板岩层的惯性效应来控制底板水涌的风险。然而，这种方法在一定程度上影响了采矿的产量和效率。

在华北型煤田中，矿井水的化学特性以及隐伏断层可能影响岩体裂缝和潜在水涌通道的形成。因此，基于水锤效应和化学损伤因子，建立了PCFM模型。水楔裂缝的传播长度与裂缝宽度B、粗糙度系数K和水锤压力p成正比。研究结果进一步表明，随着岩体化学损伤程度的增加，裂缝更容易扩展，即使其受到较低阈值的水力破坏应力。在长期应力腐蚀作用下，隐伏断层更容易发生腐蚀裂缝和水涌。

PCFM为理解深部煤层底部水涌提供了全面的视角。岩体在含水层上升区和底板破坏区中经历了水楔的渐进破坏，由水锤压力驱动。该模型阐明了滞后型水涌的内在机制。值得注意的是，深部采矿中煤层底部发生水锤效应需要满足一定的条件（如原位应力、地质条件和采矿方法）。由于中国不同矿区的地质条件高度变化，该模型的适用性需要在具体现场条件下进一步讨论。

本文提出了几种控制由岩体破坏引起的水锤效应导致水涌的方法。研究结果表明，减少顶板下沉步距、使用多级灌浆控制含水层以及切割顶板以释放压力是减少水锤效应引起的底板水涌风险的有效措施。重要的是，水锤引起的水涌仅仅是众多水涌趋势之一。进一步的实验和现场观察是必要的，以研究相关的灾害机制（如水流和化学侵蚀的水力机械效应）。此外，未来的研究应侧重于通过系统地与深部煤矿运营的现场监测数据进行比较，以验证PCFM。通过建立模拟结果与记录水涌事件之间的定量关联，可以在不同的地质和水文地质条件下更严格地评估模型的预测精度和实际稳健性。这种验证对于推动模型向工程应用的发展以及确保其在复杂采矿环境中的可靠性，指导水害预防策略至关重要。

通过研究，本文提出了新的水锤效应引起的深部底板水涌机制。含水层在岩体中经历了不同的水锤效应，主要通过两种类型的压强耦合。一种是潜在能量的静水压。另一种是当流体在岩体裂缝和水涌通道中流动时，从潜在能量转化为动能的动水压。主要结论如下：

基于兴东煤矿的实地调查，记录了含水层与岩体相互作用过程中反复出现的高压力响应和底板瞬间破裂。这些现场观察以及水文地质数据分析表明，存在一种与水锤效应特征一致的动态水涌机制。在此基础上，提出了一种新的水涌机制，即水导裂缝通道的瞬间截断和反复闭合会导致岩体的渐进破坏，最终形成连续的水涌路径。理论分析表明，含水层裂缝中的峰值水锤压力与流速成正比。数值模拟进一步证实，底板破坏的程度与裂缝的发展程度正相关。

在华北型煤田中，矿井水的化学特性和隐伏断层可以影响岩体裂缝和潜在水涌通道的形成。因此，建立了基于水锤效应和化学损伤因子的PCFM模型。水楔裂缝的传播长度与裂缝宽度B、粗糙度系数K和水锤压力p成正比。研究结果进一步表明，随着岩体化学损伤程度的增加，裂缝更容易扩展，即使其受到较低阈值的水力破坏应力。在长期应力腐蚀作用下，隐伏断层更容易发生腐蚀裂缝和水涌。

PCFM为理解深部煤层底部水涌提供了全面的视角。岩体在含水层上升区和底板破坏区中经历了水楔的渐进破坏，由水锤压力驱动。该模型阐明了滞后型水涌的内在机制。值得注意的是，深部采矿中煤层底部发生水锤效应需要满足一定的条件（如原位应力、地质条件和采矿方法）。由于中国不同矿区的地质条件高度变化，该模型的适用性需要在具体现场条件下进一步讨论。

提出了几种控制由岩体破坏引起的水锤效应导致水涌的方法。研究结果表明，减少顶板下沉步距、使用多级灌浆控制含水层以及切割顶板以释放压力是减少水锤效应引起的底板水涌风险的有效措施。重要的是，水锤引起的水涌仅仅是众多水涌趋势之一。进一步的实验和现场观察是必要的，以研究相关的灾害机制（如水流和化学侵蚀的水力机械效应）。此外，未来的研究应侧重于通过系统地与深部煤矿运营的现场监测数据进行比较，以验证PCFM。通过建立模拟结果与记录水涌事件之间的定量关联，可以在不同的地质和水文地质条件下更严格地评估模型的预测精度和实际稳健性。这种验证对于推动模型向工程应用的发展以及确保其在复杂采矿环境中的可靠性，指导水害预防策略至关重要。