煤礦巷道涌水的流固耦合機理分析

■魏新棟 原富珍

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221116）

煤礦巷道涌水的流固耦合機理分析

■魏新棟 原富珍

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221116）

隨著我國西北煤炭資源保水開采的發(fā)展，滲流—應(yīng)力耦合問題已得到廣泛關(guān)注，文章基于流固耦合理論，建立了礦井巷道涌水的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對所建立的巷道圍巖區(qū)進行模擬，得出了滲流場和應(yīng)力場的分布形式，為礦井的保水開采及涌水治理提供一定的參考。

滲流—應(yīng)力耦合 巷道 涌水量 保水開采

隨著我國煤炭資源的進一步開采，以及“三下”開采技術(shù)的進一步提升。在富水區(qū)保水開采已逐漸成為采礦界的熱點問題，其中都要涉及到滲流—應(yīng)力耦合問題。同時，在河流、水庫、湖泊等水體下開采作業(yè)，也不可避免的要受到水的影響，在地質(zhì)條件差的施工段極易發(fā)生涌水事故，威脅生產(chǎn)人員的安全，大面積的涌水發(fā)生還會威脅礦井的安全。本文基于流固耦合理論建立礦井巷道上覆巖層中的滲流模型，并應(yīng)用有限元軟件對某一工程實例進行分析。

1　滲流場和應(yīng)力場耦合數(shù)學(xué)模型

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理，滲流介質(zhì)的總應(yīng)力滿足平衡方程：

式中:是有效應(yīng)力張量；為總應(yīng)力張量,為耦合系數(shù)

其物理方程和幾何方程分別為：

式中：λ、G為拉梅常數(shù)。

假設(shè)流體不可壓縮，則符合Darcy定律的巖體滲流控制方程為：

本文參考較為經(jīng)典的滲透率模型，?。?/p>

2　滲流—應(yīng)力耦合有限元模擬

2.1模型建立

所研究礦井模型為河流下的淺埋煤層。巷道上覆巖層及力學(xué)參數(shù)如表1所示。求解區(qū)域設(shè)置為長80m，高57m的矩形，取地下水的動力粘度。

2.2滲流場分析

在滲流場的模擬中假設(shè)在巷道開挖前圍巖處于飽和狀態(tài)，其初始條件為上邊界的孔隙水壓力為30kPa,下邊界的孔隙水壓力為588.6kPa。如圖1所示，巷道開挖前地層中孔隙水壓力的分布自上而下呈現(xiàn)出遞增的趨勢，且同一高度的孔隙水壓力值相等。巷道開挖后，由于水流在開挖區(qū)域的內(nèi)邊界上為自由透水邊界，圍巖原始滲流場發(fā)生了改變。由圖2可以看出，在未采取注漿及支護等防護措施的情況下，巷道開挖后圍巖滲流場在巷道周圍形成了一個“壓力漏斗”區(qū)，其中頂板位置處圍巖的孔隙水壓力最小，由于頂板和邊墻位置處“壓力漏斗”現(xiàn)象最為明顯，所以在壓力差的作用下涌水主要發(fā)生在頂板及邊墻位置處。

圖1　開挖前水壓力分布圖

圖2　開挖后水壓力分布圖

2.3應(yīng)力場分析

圍巖的應(yīng)力場在巷道開挖后重新分布，巷道周邊圍巖在開挖后進行卸載而向巷道內(nèi)自由變形。由圖3可以看出，開挖后巷道周圍出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，形成了一個應(yīng)力低值區(qū)。其中巷道拱頂和拱底處都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為32kPa，分別位于巷道頂板中間位置的兩側(cè)。巷道邊墻位置為壓應(yīng)力區(qū)，最大壓應(yīng)力為90kPa。由于巷道圍巖在原始狀態(tài)或者由于開挖過程中施工對圍巖的完整性造成破壞，使巷道周圍存在破碎巖體，而由于巖石抗拉強度很低，當(dāng)切向拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，拱頂處最容易發(fā)生局部破壞，從而影響到巷道斷面的整體穩(wěn)定性，并有可能誘發(fā)大面積涌水事故的發(fā)生。圖4中總位移圖可以看出由于巷道的開挖導(dǎo)致圍巖整體的位移矢量在巷道周圍發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巷道內(nèi)壁向洞內(nèi)發(fā)生了回彈。

圖3　第一主應(yīng)力分布圖

3　結(jié)論

（1）對礦井巷道上覆巖層滲流場和應(yīng)力場之間的耦合機理進行分析，建立了礦井巷道流固耦合情況下滲流場和應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型。

圖4　總位移分布圖

（2）通過COMSOL Multiphysics有限元軟件對巷道上覆巖層滲流場和應(yīng)力場進行數(shù)值模擬，得出了巷道頂板位置最容易發(fā)生涌水災(zāi)害。

[1]王雙明,黃慶享,范立民,等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含 (隔)水層特征及保水開采分區(qū)研究[J].煤炭學(xué)報,2010,01:7-14.

[2]師本強.陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開采影響因素研究 [D].西安科技大學(xué),2012.

[3]馬立強,張東升,劉玉德,等.薄基巖淺埋煤層保水開采技術(shù)研究 [J].湖南科技大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2008,01:1-5.

[4]杜敏銘,鄧英爾,許模.礦井涌水量預(yù)測方法綜述 [J].地質(zhì)學(xué)報,2009,29(1):70-73.

P641.4+3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-474-2