深部煤層采動流固耦合效應下陷落柱突水機理研究

張紅梅，翟曉榮，吳基文，沈書豪

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

深部煤層采動流固耦合效應下陷落柱突水機理研究

張紅梅，翟曉榮，吳基文，沈書豪

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

以淮北礦區(qū)下組煤開采為例，研究煤層深部開采擾動誘發(fā)陷落柱突水機理，建立了陷落柱突水模型。基于FISH對FLAC3D進行二次開發(fā)，研究流固耦合效應下工作面推進不同步距條件下，陷落柱破壞特征。結果表明：深部高地應力及高承壓水耦合作用下，隨著工作面回采推進，陷落柱產(chǎn)生側向塑性破壞。在采動影響下塑性破壞區(qū)范圍不斷地向外擴展，工作面前方的裂縫帶與陷落柱塑性破壞區(qū)之間的完整巖層寬度在不斷地減小，當工作面推進50m時，距陷落柱30m處二者相連通，形成突水通道，誘發(fā)陷落柱突水。研究揭示了礦井深部煤層采動流固耦合效應下，陷落柱突水的過程與機理。

深部采動；流固耦合；滲透系數(shù)；巖溶陷落柱；突水機理

巖溶陷落柱廣泛地分布于華北煤田和兩淮等礦區(qū)，是我國石炭二疊系賦煤地層中一種特殊的地質構造體[1-2]，其突水的滯后及其后的突發(fā)性，以及突水水量大給礦區(qū)安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。近年來，隨著我國煤礦開采深度的普遍加深，礦井底板突水次數(shù)及其造成的危害不斷加劇。其中，由采動引起的陷落柱突水，是造成淹井等重大災難事故的最主要原因之一[3-6]。淮北礦區(qū)曾多次發(fā)生陷落柱突水事故，造成了巨大的損失，如皖北礦區(qū)任樓煤礦7222工作面采動導通陷落柱突水事故和淮北礦業(yè)集團桃園煤礦1035工作面回采誘發(fā)陷落柱突水事故[7]?；趪鷰r采動應力變化和底板高強度水壓滲流耦合作用下，采用FLAC3D模擬陷落柱底板突水，成果頗多[8-14]。在實現(xiàn)流固耦合模型時，若滲透系數(shù)賦予固定值應用于不同煤層開采的模型中，僅考慮孔隙水壓力隨采動應力的變化而變化，而不考慮煤層開采過程中圍巖的滲透性變化，研究結果將與實際情況不符。煤層回采過程中，圍巖應力和滲透性不斷地發(fā)生變化，兩個變化是相互影響并疊加的，即產(chǎn)生流固耦合效應。

本文以淮北煤田下組煤為研究對象，基于FLAC3D軟件的FISH語言的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)煤層開采過程中滲透力與采動應力的相互影響，對煤層開采進行流固耦合模擬分析，揭示深部開采條件下煤層采動誘發(fā)陷落柱突水的流固耦合機理。

1 研究區(qū)地層

淮北礦區(qū)位于華北煤田的南緣，主要含煤地層(組)是二疊系的下石盒子組和山西組，其中山西組煤層在宿北斷裂以南為10號煤，宿北斷裂以北為6號煤，為淮北礦區(qū)下組煤，見圖1所示。

圖1 研究區(qū)煤系地層柱狀

淮北礦區(qū)主要有4個含水層，分別為新生界松散層孔隙含水層、煤系砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r巖溶承壓含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。其中，下組煤距太原組巖溶含水層一灰頂?shù)木嚯x為43.76～70m，是淮北礦區(qū)開采下組煤6(10)號煤時的主要突水含水層?；幢钡V區(qū)的水文地質條件較為復雜，下組煤開采時均受到其下伏太原組灰?guī)r水甚至奧陶系灰?guī)r水的威脅。

2 流固耦合數(shù)學模型

流固耦合FLAC3D模塊中，定義巖體為多孔介質，流體在巖體中的流動滿足達西(Darcy)定律的基本條件，同時符合Biot流固耦合模型，表達式為：

(1)

式中，G和λ均為Lame常數(shù)，uj，xj，fxj分別為j向的位移、坐標和體積力；εν為體應變；P為孔隙水水壓；?p/?xj為流體流動過程中產(chǎn)生的滲透場，其影響了巖石的有效應力，并致使圍巖產(chǎn)生變形；K為滲透系數(shù)，表征固體骨架體的應變對滲流場的反作用。公式(1)為流固耦合實現(xiàn)的數(shù)學模型。

雖然上述方程可以表達滲透力與骨架變形的相互影響，但該方程中巖體的滲透系數(shù)仍是定常數(shù)。J.A.Wang等[15]總結指出：煤礦采動時突水的主要原因是煤炭采動過程中巖體發(fā)生破裂，從而引起巖體滲透性的增強。研究證明：巖石在受力條件下，其滲透率不是定常數(shù)，而是隨應力變化而發(fā)生應變變化，并且?guī)r體裂隙的發(fā)育程度也是不斷變化的[16]。主要表現(xiàn)有：當巖石為彈性階段時，隨著應力的增加，巖石內(nèi)部的微裂隙被壓實，其滲透性減??；當繼續(xù)受力，巖石達到屈服強度后，其應力增幅不大的條件下，巖石中將不斷地形成新的裂隙，直到貫通，巖石的滲透率將發(fā)生明顯的增大。在這個過程中巖石的應力并沒有發(fā)生明顯的變化，但其應變是不斷增加的，因此，用應力-應變表達滲透系數(shù)的變化不能通用，具有一定局限性。

采用ELSWORTH D等[17]提出的流固耦合模型的滲透系數(shù)求解公式建立模型，表達式為：

(2)

式中，k0為巖體初始滲透系數(shù)，單位m2/(Pa·sec)，由于FLAC3D模型和水力學中滲透系數(shù)的單位不同，兩者需要進行換算，換算公式為：K(cm/s)×1.02×10-6=K(m2/(Pa·sec))；Δε和n分別是體應變增量和巖體的孔隙度。

公式(2)能夠實現(xiàn)煤層采動過程中滲透系數(shù)的變化，基于公式(1)，將公式(2)通過FISH編程導入FLAC3D軟件中，實現(xiàn)煤炭回采過程中巖體的滲透性隨巖體變形的同步變化解。

3 煤層采動影響下陷落柱形態(tài)特征

3.1 模型的建立

結合淮北礦區(qū)開采現(xiàn)狀及下組煤及圍巖巖性特征等因素，定義-600～-800m采深為深部開采上限。為了研究煤層深部開采條件下陷落柱動態(tài)演化過程，建立數(shù)值模型。依據(jù)淮北礦區(qū)不同深度的太灰水位統(tǒng)計資料，研究設計煤層采深-800m，底板水壓6MPa，模擬陷落柱采動演化特征。

設計模型長200m(X方向)、寬250m(Y方向)、高100m(Z方向)，陷落柱平面尺寸為邊長20m的正方形，高延伸至煤層頂板泥巖之下，其空間位置為X(130，150)，Y(60，80)，Z(0，78)。6號煤采厚為3m，工作面寬度為150m，底板隔水層厚度為45m，模擬地層傾角為0°。X為推進方向，在50m處為切眼位置；為便于觀察陷落柱演化過程，在陷落柱附近對模型進行了加密處理，地質模型見圖2。

圖2 地質模型

模型的邊界條件：模型設置全約束底部邊界，自由頂部邊界。施加面力替代模型中的上覆松散層和其他待模擬巖層。煤層頂板設置為自由邊界，模型左右和前后邊界分別設定為X和Y方向，為隔水層邊界。滲流的邊界條件：底板下伏灰?guī)r含水層水壓設置為固定水壓值，排水邊界為煤礦采空區(qū)。模擬采用Mohr-Coulomb的屈服準則和Mohr-Coulomb的塑性本構模型計算。模擬將煤層上覆巖石概化為“頂板”，煤系地層與陷落柱力學與滲透系數(shù)等參數(shù)見表1。

表1 基于底板采動的FLAC3D模擬力學參數(shù)

3.2 流固耦合模擬結果分析

對工作面推進不同步距條件下，陷落柱塑性演化特征進行模擬，結果如圖3至圖7所示。

圖3 工作面推進10m塑性破壞

圖4 工作面推進20m塑性破壞

圖5 工作面推進30m塑性破壞

圖6 工作面推進40m塑性破壞

圖7 工作面推進50m塑性破壞

對比推進不同步距條件下的陷落柱塑性破壞圖可以看出：工作面初次采動時，受到柱體內(nèi)承壓水壓力與采動應力共同的作用，陷落柱即產(chǎn)生塑性破壞，并且出現(xiàn)小范圍側向塑性破壞區(qū)，寬度為4m，如圖3所示；當工作面推進至20m，工作面底板深部含水層的上方出現(xiàn)了明顯的原位張裂帶，此時，陷落柱上部塑性破壞區(qū)未發(fā)生明顯的變化，但在灰?guī)r含水層上方位置，陷落柱側向塑性破壞區(qū)范圍擴大至7m，如圖4所示；當工作面推進至初次來壓步距30m時，底板原位張裂帶范圍進一步增大，同時工作面超前裂隙破壞區(qū)的范圍增大，超前裂隙破壞區(qū)范圍為30m，此時完整巖層寬度僅剩16m，如圖5所示；繼續(xù)推進至40m時，工作面與陷落柱塑性區(qū)距離僅為6m，如圖6所示；當工作面推進50m時，陷落柱側向塑性破壞區(qū)與工作面超前采動裂隙已連通，二者間無完整的巖層，此時，形成了導水通道，陷落柱體內(nèi)承壓水可能沿著破壞通道進入工作面，造成突水事故。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著工作面不斷回采推進，陷落柱側向塑性破壞區(qū)范圍逐步增大，突水危險性也隨之增高。當進入深部開采后，底板在采動應力和高承壓水壓的耦合作用下，在底板深部形成一定范圍的原位張裂區(qū)，隨著工作面回采推進原位張裂區(qū)的范圍不斷擴大。工作面繼續(xù)推進時，受高地應力和高承壓水壓共同影響，陷落柱體外側的破壞區(qū)不斷擴大，從而導致陷落柱與工作面間有效隔水層寬度不斷減小，最終二者連通，發(fā)生突水。

從陷落柱誘發(fā)工作面突水的演變過程可以分析深部開采完整型底板在流固耦合條件下的陷落柱突水規(guī)律。受采動影響，工作面前方出現(xiàn)超前裂縫帶，陷落柱體出現(xiàn)側向塑性破壞帶；隨著推進工作面超前裂縫帶與陷落柱側向塑性破壞帶寬度不斷擴大，受采動影響與底板承壓水共同影響，最終二者連通，形成底板突水通道，造成承壓水沿裂隙進入采空區(qū)，導致工作面突水發(fā)生。

4 結 論

(1)基于FISH語言的二次開發(fā)，利用FLAC3D實現(xiàn)了采動過程中，底板采動應力與底板承壓水滲透力相互影響條件下，工作面回采誘發(fā)陷落柱突水過程的數(shù)值模擬。

(2)流固耦合作用下，工作面超前采動塑性區(qū)寬度為30m；受采動應力與承壓水壓力共同影響，形成側向塑性破壞區(qū)，造成陷落柱與工作面間的有效隔水層厚度明顯減小，隨著工作面繼續(xù)推進，工作面超前采動裂縫帶與陷落柱側向塑性破壞區(qū)溝通，可能造成突水。

(3)研究揭示了礦井深部開采、流固耦合條件下陷落柱誘發(fā)工作面采動突水機理。突水過程可概括為工作面超前采動裂隙與陷落柱側向塑性破壞區(qū)形成，隨著采動二者距離不斷減小，直至相連通，即流固耦合條件下，工作面回采誘發(fā)陷落柱突水。

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[責任編輯：徐乃忠]

遼寧省部署開展煤礦百日安全生產(chǎn)活動

為深入貫徹習近平總書記、李克強總理關于安全生產(chǎn)工作重要指示批示精神，全面落實國務院安委會、國家安全監(jiān)管總局和遼寧省委政府關于安全生產(chǎn)工作的安排部署，鞏固煤礦安全生產(chǎn)大檢查和全面安全“體檢”工作成果，確保十九大會議期間及到年末前全省煤礦安全生產(chǎn)形勢的持續(xù)穩(wěn)定，近日，遼寧煤監(jiān)局、省煤管局聯(lián)合印發(fā)文件，部署開展全省煤礦百日安全生產(chǎn)活動。

根據(jù)活動方案，本次活動時間9～12月份，劃分為宣傳發(fā)動、活動實施和督促檢查3個階段?；顒右?，各省屬國有煤炭企業(yè)和產(chǎn)煤市煤礦安全監(jiān)管部門要緊密結合實際，制定工作方案，細化措施、明確責任，以重大災害治理、瓦斯防治為重點精心組織開展活動，努力減少各類煤礦生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.9.21

StudyofCollapseColumnWaterInrushunderFluid-solidCouplingEffectofCoalSeamMininginDeep

ZHANG Hong-mei，ZHAI Xiao-rong，WU Ji-wen，SHEN Shu-hao

(School of Earth & Environment，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

It taking under-group coal seams mining of Huaibei mine area as example，collapse column water inrush principle that induced by mining in deep was studied，collapse column water inrush model was built.Secondary development was made for FLAC3Dbased on FISH，and then the broken characters of collapse column under different advanced distance with fluid-solid coupling effect were studied.The results showed that under coupling effect of high ground pressure in deep and high confined water，with working face cutting，lateral plastic deformation appeared in collapse column.Plastic broken scope developed to outward under minging influence，an intact strata width between fracture zone before working face and collapse column plastic broken zone，when working face advance distance was about 50m，two sites were connected thorough at the site to collapse column was about 30m，then water inrush channel formed，and would inducing collapse column water inrush，the results showed that collapse column water inrush process and principle under fluid and solid coupling effects of coal seam mining in deep.

mining in deep；fluid-solid coupling；permeability coefficient；karst collapse column；water inrush principle

TD745

A

1006-6225(2017)05-0102-04

2017-04-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.026

國家自然科學基金面上項目(41572147)；國家自然科學基金面上項目(41272278)；安徽高校自然科學重點項目，礦山地質災害防治安徽省重點實驗室項目(KJ2016A826)

張紅梅(1982-)，女，安徽舒城人，講師，在讀博士，主要研究方向為煤礦地質與工程地質。

張紅梅，翟曉榮，吳基文，等.深部煤層采動流固耦合效應下陷落柱突水機理研究[J].煤礦開采，2017，22(5)：102-105.