煤礦底板采動(dòng)突出水體運(yùn)移特征的數(shù)值分析

楊登峰，陳忠輝，李　博，劉　鑫，高　欽

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

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煤礦底板采動(dòng)突出水體運(yùn)移特征的數(shù)值分析

楊登峰，陳忠輝，李博，劉鑫，高欽

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]針對(duì)煤礦底板采動(dòng)突水過程中采空區(qū)底板破壞的不同階段突水量存在明顯差別的特征，根據(jù)損傷巖體的流固耦合作用，應(yīng)用RFPA2D-flow數(shù)值模擬軟件，結(jié)合回坡底煤礦11號(hào)煤層開采工作面的具體工程地質(zhì)條件，對(duì)在采動(dòng)應(yīng)力和承壓水壓力聯(lián)合作用下底板的損傷、破壞直至突水的全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過對(duì)工作面推進(jìn)過程中底板的破壞過程、應(yīng)力變化和滲流場的分析，揭示了突出水體的運(yùn)移規(guī)律，將底板突水區(qū)域劃分為突水減量減速區(qū)、突水量陡增區(qū)、突水量平穩(wěn)增加區(qū)和突水流量緩降區(qū)4個(gè)區(qū)域，從而確定了應(yīng)重點(diǎn)防治的突水危險(xiǎn)區(qū)域。研究結(jié)果對(duì)工程中的防治水實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]底板；采動(dòng)應(yīng)力；滲流場；數(shù)值分析

[引用格式]楊登峰，陳忠輝，李博，等.煤礦底板采動(dòng)突出水體運(yùn)移特征的數(shù)值分析[J].煤礦開采，2015，20(6)：101-104.

1概述

礦井水害是制約煤礦生產(chǎn)的重大難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)約60%的煤礦都發(fā)生過突水事故，且其中的大部分突水事故是發(fā)生在回采工作面上。在當(dāng)今的高強(qiáng)度開采條件下，突水事故發(fā)生的幾率和危害性更大，給我國煤礦生產(chǎn)帶來重要的影響。針對(duì)突水災(zāi)害，我國科技工作者從理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析的角度針對(duì)底板突水做了大量研究工作[1-5]，在突水發(fā)生的機(jī)理、評(píng)價(jià)方法、突水通道形成過程等方面進(jìn)行了研究，為煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)作出了卓越貢獻(xiàn)。但對(duì)突水過程中底板各變形破壞階段的承壓水突出特征所做的分析較少。根據(jù)礦山壓力理論，工作面推進(jìn)過程中底板巖體先后經(jīng)歷了壓縮、膨脹和變形恢復(fù)3個(gè)變形階段，形成底板破壞損傷破壞區(qū)，當(dāng)?shù)装宀蓜?dòng)破壞區(qū)與承壓水溝通時(shí)，突水通道貫通，造成了底板水突出。在底板變形破壞的各個(gè)階段，其應(yīng)力狀態(tài)也各不相同，根據(jù)采動(dòng)作用下的滲流場與應(yīng)力場的耦合作用特征[6-10]，底板水的突出過程也應(yīng)表現(xiàn)出與底板巖體受力破壞相對(duì)應(yīng)的階段性特征。因此研究工作面推進(jìn)方向上底板損傷破壞不同階段突水強(qiáng)度和滲流范圍及對(duì)于突水全過程的階段性特征的劃分，以確定突水危險(xiǎn)區(qū)域和流體運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于防治突水災(zāi)害具有一定意義。

本文在考慮巖石非均勻性及巖體滲流-應(yīng)力-損傷耦合作用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用RFPA2D-flow[11]數(shù)值模擬軟件，結(jié)合回坡底煤礦有底板突水危險(xiǎn)的煤層開采過程，對(duì)完整底板的突出水體的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬和分析，以期為煤層開采過程中的防治水工作提供理論依據(jù)。

2底板采動(dòng)突水規(guī)律分析

2.1模型建立及參數(shù)選擇

回坡底煤礦位于山西臨汾市西北汾西南部，其中11號(hào)煤層平均厚度為2.96m，與奧灰水平均距離為25.4m，奧灰水水壓為1.8MPa，采用長壁式采煤法，采空區(qū)頂板全部垮落法管理，11號(hào)煤層主要受到頂部太原組K2石灰?guī)r含水層和底部的奧陶系石灰?guī)r含水層組影響。K2石灰?guī)r儲(chǔ)水性能中等偏弱；奧灰為厚度較大的石灰?guī)r，儲(chǔ)水能力強(qiáng)，是影響礦區(qū)煤層開采的主要含水層[12]。因此，本文以山西回坡底煤礦11號(hào)煤層開采的具體工程地質(zhì)情況為例，分析工作面推進(jìn)過程中的底板破壞及突水特征。在考慮巖石材料非均勻性的條件下，基于細(xì)觀尺度上的本構(gòu)模型，建立底板突水?dāng)?shù)值模擬的二維平面應(yīng)變模型。模型沿水平向取480m，垂直向取280m，劃分為480×280共134400個(gè)單元格，設(shè)置18層巖層。層間設(shè)置節(jié)理，代表巖層中的層理弱面。各巖層材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　數(shù)值模型巖石力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型見圖1，模型邊界條件：垂直向采用自重加載，水平向及底端固定約束；設(shè)置180m的定水頭邊界。開切眼距左邊界150m，設(shè)計(jì)每步開挖10m，每步時(shí)間間隔設(shè)置為1d，開挖15步，累計(jì)開挖150m。

圖1　RFPA數(shù)值模型示意

2.2底板采動(dòng)突水過程分析

圖2是工作面推進(jìn)過程中的底板變形破壞過程所對(duì)應(yīng)的彈性模量分布圖，還原了底板損傷-變形-斷裂-接觸-破壞直至底鼓的這一動(dòng)態(tài)演化全過程(顏色灰度反映了單元彈性模量的大小，灰度越亮，表示彈性模量越大；灰度越暗，彈性模量越小)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，工作面開切眼形成之后，底板在開挖引起的卸荷膨脹變形作用下，出現(xiàn)了應(yīng)力集中、變形和破壞，形成了底板的變形破壞帶和彈塑性變形帶。當(dāng)工作面推進(jìn)到25～46m時(shí)，開切眼處底板產(chǎn)生拉剪復(fù)合型破壞，裂縫從煤壁下方向采空區(qū)側(cè)底板延伸，并有層間開裂產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)圖2(a)，3(a)；工作面推進(jìn)到50~55m左右時(shí)，煤壁處由于應(yīng)力增高，產(chǎn)生了壓剪切破壞，工作面后方也同時(shí)出現(xiàn)了新的向采空區(qū)內(nèi)部擴(kuò)展的裂縫，底部巖層出現(xiàn)了若干條垂直發(fā)育的原位張裂，底板出現(xiàn)了張剪和拉張兩種裂隙，對(duì)應(yīng)圖2(b)，3(b)；當(dāng)工作面推進(jìn)到70～80m左右時(shí)，底板破壞區(qū)的深度達(dá)到了13~17m，在煤壁下方向著采空區(qū)的方向形成了拉張裂隙帶，形成了滲流通道，開始有承壓水突出，對(duì)應(yīng)圖2(c)，3(c)；當(dāng)工作面推進(jìn)至90～100m附近，拉張裂隙帶不斷擴(kuò)展，底板巖層破壞深度和范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，突水量進(jìn)一步增加，對(duì)應(yīng)圖2(d)，3(d)。在底板壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處，容易導(dǎo)致張剪破壞，裂隙大量產(chǎn)生。底板隔水層破壞，溝通含水層，形成突水通道，承壓水容易突出。該區(qū)域是突水危險(xiǎn)區(qū)。

圖2　開采過程中的彈性模量動(dòng)態(tài)分布(局部放大)

圖3　開采過程中的流量場分布

承壓水的運(yùn)移與底板裂隙擴(kuò)展密切相關(guān)。煤層開采過程中，礦山壓力作用打破了底板巖層的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，使采空區(qū)的周圍巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板巖體受到拉剪破壞，應(yīng)力的作用在微觀上使單元產(chǎn)生變形損傷破壞，宏觀上則使巖體的裂隙形成和滲透率明顯增大。采動(dòng)應(yīng)力作用下原始導(dǎo)水裂隙不斷擴(kuò)展，最終與工作面開采卸荷造成的底板損傷破壞帶貫通，底板奧灰承壓水沿巖層之間的拉張裂隙通道流向采空區(qū)。

2.3底板破壞分區(qū)

工作面附近的煤壁由于開挖卸載而產(chǎn)生應(yīng)力釋放，支承壓力值較?。辉诿簩娱_挖后，支承壓力值在遠(yuǎn)離采區(qū)方向上總體的變化趨勢是：先升高，升高到峰值后再開始降低，直到原巖應(yīng)力狀態(tài)。工作面初次來壓后，隨工作面向前推進(jìn)，由于開挖空間的增大，工作面推進(jìn)單位距離引起的支承壓力集中值的增大量逐漸變小，其變化曲線趨于平緩，如圖4所示。開采95m至100m左右時(shí)，煤壁支承應(yīng)力為原始應(yīng)力的4倍左右，達(dá)到最大值約35MPa，之后則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。圖5為開采過程中底板主應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。通過圖5可以看出，底板在切眼附近一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，集中應(yīng)力逐漸增大，且開切眼下方底板對(duì)應(yīng)位置的集中應(yīng)力向采空區(qū)上方的對(duì)應(yīng)位置有一定的延伸，即在開切眼和煤壁附近12m范圍內(nèi)形成彈塑性高應(yīng)力區(qū)，此范圍保護(hù)層的主應(yīng)力最大，煤巖出現(xiàn)壓剪破壞，形成裂隙通道，相對(duì)其他區(qū)域，由于此區(qū)域內(nèi)煤層和采空區(qū)之間水頭壓力差最大，極易突水，造成事故。

圖4　開采過程中煤壁支承壓力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律

圖5　開采過程中底板主應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律

在這個(gè)應(yīng)力變化的過程中，工作面推進(jìn)方向上的底板巖層也按照應(yīng)力的變化規(guī)律形成了分區(qū)分段的破壞特征。對(duì)比分析圖4，圖5曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨工作面推進(jìn)，煤壁附近的底板支承壓力迅速升高，使得底板巖層受到較大的集中荷載，底板主應(yīng)力迅速升高，形成了底板的壓縮區(qū)；隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)底板卸荷膨脹，底板荷載陡降，形成了卸荷膨脹區(qū)，而膨脹區(qū)根據(jù)底板巖層的破壞區(qū)域的不同又可以分為卸荷膨脹平穩(wěn)區(qū)和卸壓膨脹陡變區(qū)，其中卸荷膨脹平穩(wěn)區(qū)是由底板已形成的拉張破壞區(qū)域組成，卸壓膨脹陡變區(qū)主要指底板的宏觀裂縫與煤壁下的壓減裂隙之間的區(qū)域；隨著頂板的來壓進(jìn)程，頂板及其上覆巖層垮落形成的荷載作用在底板巖層上，使底板巖層再一次被壓縮，重新形成壓縮應(yīng)力區(qū)，使膨脹區(qū)域變形恢復(fù)，形成變形恢復(fù)區(qū)。隨工作面推進(jìn)，底板巖層的所有點(diǎn)都經(jīng)歷了“壓縮-應(yīng)力解除-再壓縮”的應(yīng)力作用過程，在此過程中底板巖層的變形則經(jīng)歷了壓縮、膨脹和變形恢復(fù)3個(gè)階段(見圖6)。

圖6　底板破壞分區(qū)

2.4突水滲流規(guī)律

工作面推進(jìn)過程中，底板巖層的滲透系數(shù)不斷增大，在采動(dòng)應(yīng)力和承壓水壓力的聯(lián)合作用下，承壓水沿裂隙通道自高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)運(yùn)移。分析圖7曲線可以發(fā)現(xiàn)，在開采初期的0~60m范圍內(nèi)，在開切眼和煤壁附近水頭壓力梯度迅速升高，煤壁的集中應(yīng)力得不到釋放，其滲透能力較低，在采空區(qū)范圍內(nèi)，由于卸壓膨脹作用，底板出現(xiàn)拉張裂隙和底鼓現(xiàn)象，滲透性較高，滲流量大。工作面推進(jìn)到80~90m后，突水通道形成，水頭壓力梯度迅速降低，使?jié)B流速度和突水量迅速增加，可得到突水點(diǎn)位置。

圖7　開采過程中底板垂直方向流量分布

底板巖層在工作面開挖卸荷影響作用下，應(yīng)力重分布，按工作面推進(jìn)方向先后形成了應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力解除區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，對(duì)應(yīng)的底板巖層的變形可分為壓縮區(qū)、膨脹區(qū)和變形恢復(fù)區(qū)。分析底板的應(yīng)力變化狀態(tài)、損傷區(qū)域特征和裂隙分布情況，考慮承壓水壓力、承壓水滲流速度和突水量的變化特征，可對(duì)照?qǐng)D7中的底板的突水流量曲線分析底板壓縮區(qū)、膨脹區(qū)和變形恢復(fù)區(qū)的突水特征：壓縮區(qū)對(duì)應(yīng)的是突水減量減速區(qū)，在此區(qū)域由于煤壁受到較大的支承壓力作用，突水流量較小，速度較緩，根據(jù)突水量大小膨脹區(qū)可劃分為突水量陡增區(qū)和突水量平穩(wěn)增加區(qū)。其中突水量陡增區(qū)對(duì)應(yīng)的是底板巖體的宏觀裂縫到煤壁下方新產(chǎn)生的壓剪裂隙之間的卸荷膨脹陡變區(qū)，工作面推進(jìn)中巖體持續(xù)卸荷，裂隙發(fā)育迅速，滲流迅速增大，是突出危險(xiǎn)區(qū)。突水量平穩(wěn)增加區(qū)對(duì)應(yīng)底板的拉張破壞帶的卸荷膨脹平穩(wěn)區(qū)，因?yàn)樵搮^(qū)域卸荷充分，裂隙發(fā)育完整，突水流量平穩(wěn)。由于卸荷膨脹區(qū)對(duì)后方變形恢復(fù)區(qū)巖體產(chǎn)生擠壓變形及地應(yīng)力的雙重作用，使得該處巖體部分裂隙逐漸閉合，滲流量降低(圖7中工作面推進(jìn)到90m時(shí)底板流量曲線)，因此，變形恢復(fù)區(qū)對(duì)應(yīng)的是突水流量緩降區(qū)。

3結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬分析可知，在采動(dòng)應(yīng)力和承壓水壓力聯(lián)合作用下工作面底板發(fā)生損傷破壞，按照其應(yīng)力變化的先后過程底板巖層的破壞可分為壓縮區(qū)、卸荷膨脹區(qū)和變形恢復(fù)區(qū)，其中在底板壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處，容易造成張剪破壞，使底板隔水層與含水層溝通，形成突水通道，承壓水易突出，為突水危險(xiǎn)區(qū)域。

(2)可按照底板破壞分區(qū)的物理力學(xué)特征劃分底板的采動(dòng)突水特征：壓縮區(qū)對(duì)應(yīng)的是突水減量減速區(qū)；膨脹區(qū)的卸荷膨脹平穩(wěn)區(qū)對(duì)應(yīng)著突水量平穩(wěn)增加區(qū)；卸荷膨脹陡變區(qū)對(duì)應(yīng)著突水量陡增區(qū)，此區(qū)域裂隙發(fā)育迅速，滲流增速快，是突出危險(xiǎn)區(qū)；而變形恢復(fù)區(qū)對(duì)應(yīng)的是突水流量緩降區(qū)。

(3)對(duì)工作面推進(jìn)過程中底板不同破壞階段的滲流范圍和突水強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在實(shí)際工程中可以有效劃分突水區(qū)域，以確定突水危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)于防治突水具有一定的指導(dǎo)意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張金才，張玉卓，劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京：地質(zhì)出版社，1997.

[2]王連國，宋揚(yáng)，繆協(xié)興.基于尖點(diǎn)突變模型的煤層底板突水預(yù)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(4)：573-577.

[3]陳忠輝，胡正平，李輝，等.煤礦隱伏斷層突水的斷裂力學(xué)模型及力學(xué)判據(jù)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5)：673-677.

[4]謝興華，速寶玉，高延法，等.礦井底板突水的水力劈裂研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：987-993.

[5]靳德武，劉英鋒，馮宏，等.煤層底板突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(11)：14-17.

[6]呂春峰，王芝銀，李云鵬.含裂隙煤層底板突水規(guī)律的數(shù)值模擬與工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003，24(S2)：112-116.

[7]朱萬成，魏晨慧，張福壯，等.流固耦合模型用于陷落柱突水的數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(5)：928-933.

[8]楊天鴻，唐春安，朱萬成，等.巖石破裂過程滲流與應(yīng)力耦合分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4)： 489-493.

[9]鄭少河，朱維申，王書法.承壓水上采煤的固流耦合問題研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(7)：421-424.

[10]藏思茂，張德輝，李剛.煤層開采對(duì)底板的破壞規(guī)律及其水害防治技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，30(3)：341-344.

[11]王媛，徐志英，速寶玉.復(fù)雜裂隙巖體滲流與應(yīng)力彈塑性全耦合分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19 (2)：177-181.

[12]楊小剛，劉洋，張壯路.數(shù)值模擬在回坡底煤礦底板突水防治中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36(5)：58-61.

[責(zé)任編輯：張玉軍]

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Numerical Analysis of the Seepage Law of Inrush Water from Coal-seam Floor

YANG Deng-feng，CHEN Zhong-hui，LI Bo，LIU Xin，GAO Qin

(School of Mechanics & Civil Engineering，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：In view of the floor water bursting in coal mining process，floor water inrush damages the existence of regional spatial distribution characteristics.Considering the fluid solid coupling effect of damage rock mass，the simulation software RFPA2D-flow is applied，combined with the specific engineering geological conditions of Huipodi coal mine working face，studied the process should be combined with force and pressure of confined water under the bottom of the damage，damage to the mining water inrush to numerical，distribution of destroyed floor water inrush area space，division and analysis.The water inrush area are divided to 4 areas，they are the decreased water inrush zone，the sharply increased water inrush zone，the steadily increased water inrush zone，the slowly decreased water inrush zone，and the water inrush hazard area were determined.The study results are guiding significance for the prevention and control of water engineering practice.

Key words：coal seam floor；mining stress；seepage field；numerical analysis

[作者簡介]楊登峰(1985-)，男，山東菏澤人，博士研究生，主要從事礦山壓力與支架-圍巖關(guān)系方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2013CB227903)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174208,U1361209)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.027

[收稿日期]2015-04-27

[中圖分類號(hào)]TD742.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0101-04