考慮覆巖原生裂隙的導(dǎo)水裂隙帶模擬

李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，陳逸飛，王迎新，葛如濤，彭智宏

考慮覆巖原生裂隙的導(dǎo)水裂隙帶模擬

李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，陳逸飛，王迎新，葛如濤，彭智宏

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

導(dǎo)水裂隙帶高度的確定對松散承壓含水層下煤礦安全開采和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。以往根據(jù)塑性區(qū)判斷導(dǎo)水裂隙帶范圍的數(shù)值模擬方法不能完全反映覆巖的破斷機制。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，應(yīng)用斷裂力學(xué)方法，將裂紋尖端K場區(qū)內(nèi)的應(yīng)力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則結(jié)合，提出了原生裂隙存在時的巖石斷裂準(zhǔn)則。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙場分布，并通過有限元分析軟件COMSOL Multiphysics將原生裂隙場和巖石斷裂準(zhǔn)則應(yīng)用到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，對淮北煤田青東煤礦的839工作面開采進行了模擬計算。結(jié)果顯示，考慮原生裂隙時，導(dǎo)水裂隙帶在貫通后高度達(dá)到92.5 m。與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果更為接近。這說明，采用自仿射分形模型所生成的裂隙場可以較好地模擬巖體內(nèi)復(fù)雜而無序的原生裂隙分布，且與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬方法能夠更好地反映導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

導(dǎo)水裂隙帶；原生裂隙；自仿射分形；數(shù)值模擬；青東煤礦

我國目前對煤炭的需求仍較高[1]。在松散承壓含水層下的煤炭開采過程中，松散層地下水體常通過導(dǎo)水裂隙帶涌入采空區(qū)，引發(fā)嚴(yán)重的頂板壓架與突水事故，造成生命財產(chǎn)的損失[2-4]。在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱與半干旱地區(qū)，水體下采煤更是造成地下水水位下降、水體污染、河流干涸、土地荒漠化、地面塌陷等嚴(yán)重后果，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的損害[5-6]。導(dǎo)水裂隙帶是地下水和地表水體進入采空區(qū)和回采工作面的主要通道，因此，探明煤層開采上覆巖層破壞變形特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對松散承壓含水層下煤層安全開采和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有極其重要的意義。

煤炭開采勢必會打破采空區(qū)上部覆巖的天然應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致巖層的移動與破斷[7]。目前，松散承壓含水層下煤層頂板突水的相關(guān)研究主要基于“上三帶”理論，即根據(jù)變形與水力特性把上覆巖層劃分為垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶，認(rèn)為垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶可以作為導(dǎo)水的通道[8]。在此基礎(chǔ)上，許家林等[9]就覆巖主關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育影響進行了理論分析與試驗研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶高度主要受關(guān)鍵層控制，一旦主關(guān)鍵層破斷將引起其上部所有巖層直至地表的整體破斷和移動。為準(zhǔn)確有效地預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度，國內(nèi)外研究者采用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式、物理相似材料模擬、回歸分析等方法對覆巖破壞的發(fā)展規(guī)律進行了卓有成效的探討[10-12]，其中，數(shù)值模擬方法以其直觀性強，求解速度快和準(zhǔn)確度較高的優(yōu)點，受到越來越多研究者的重視。陳陸望等[13]通過離散元程序UDEC對厚松散層及超薄覆巖條件下的覆巖破壞特征進行模擬計算，得到垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度與放采比的關(guān)系；李劍[14]采用有限元分析軟件ABAQUS對矸石充填采煤覆巖導(dǎo)水裂隙演變規(guī)律進行數(shù)值模擬，確定含水層下開采需要的充實率指標(biāo)。上述對導(dǎo)水裂隙帶的模擬研究大多將同一巖層視為均質(zhì)材料，認(rèn)為巖石在進入塑性狀態(tài)后發(fā)生斷裂，并以模擬過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)作為導(dǎo)水裂隙帶。

然而，天然巖體中存在著大量的原生微裂隙與裂紋。在荷載作用下，將在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致原有裂隙的張開、滑移、分支拓展和貫通破壞[15]。為研究微裂隙對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，謝和平等[16]研究了巖石材料損傷演化過程中的統(tǒng)計自相似性，采用分形維數(shù)考察砂巖在單軸壓縮下的裂隙發(fā)育特征；李新平等[17]通過凍融循環(huán)試驗探討裂隙巖體在凍融和荷載耦合作用下的破壞機制。這些研究表明，在原生裂隙存在時，巖石材料受力產(chǎn)生的將是裂隙的發(fā)育而非整體的塑性形變。因此，在導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，將巖石視為均質(zhì)材料，僅僅采用彈塑性分析方法并不能完全反映覆巖的破壞機理。

本文從斷裂力學(xué)角度來研究覆巖破壞，將K場區(qū)內(nèi)的應(yīng)力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則結(jié)合，推導(dǎo)微裂隙存在時的巖石斷裂準(zhǔn)則。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙場分布，并通過有限元分析軟件COMSOL Multiphysics將原生裂隙場和巖石斷裂準(zhǔn)則應(yīng)用到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，對淮北煤田青東煤礦的839工作面開采進行模擬計算。將考慮原生裂隙的模擬結(jié)果與傳統(tǒng)模擬結(jié)果、經(jīng)驗公式計算結(jié)果和現(xiàn)場觀測結(jié)果進行對比，驗證該模擬方法的適用性。

1 覆巖斷裂準(zhǔn)則

導(dǎo)水裂隙帶的形成伴隨著巖層的破斷運移及巖體應(yīng)力的重新分布。在這個過程中，出現(xiàn)了壓剪和拉張2種成因的導(dǎo)水裂隙(圖1)，其中拉張裂隙集中在采空區(qū)上方與開采邊界，而壓剪裂隙多分布于開采邊界外側(cè)的煤巖體中[18]。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法多用“塑性區(qū)”法確定導(dǎo)水裂隙帶范圍，采用經(jīng)典的摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則來判斷是否發(fā)生壓剪破壞。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到黏聚力與內(nèi)摩擦力之和時，材料進入塑性狀態(tài)，即：

式中：為巖石的黏聚力；為巖石的內(nèi)摩擦角；、分別為滑移面上的正應(yīng)力與切應(yīng)力。

當(dāng)巖石受拉時，采用巖石材料抗拉強度來判斷巖體是否發(fā)生拉張破壞：

式中：σt為巖石材料的抗拉強度。

“塑性區(qū)”法認(rèn)為，巖石材料中產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域即為導(dǎo)水裂隙發(fā)育區(qū)。然而，天然狀態(tài)下的巖石材料大量分布著微裂紋、微缺陷和微損傷。在外界荷載的作用下，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)尖端積累的彈性應(yīng)變能達(dá)到新增面積的表面自由能時，裂紋會在尖端不斷擴展、連通，直至產(chǎn)生貫通的斷裂面。需要指出的是，巖體中的裂隙網(wǎng)絡(luò)才是地下水的主要通道，因此，在涉及到水力導(dǎo)通的研究中，斷裂區(qū)域比塑性區(qū)域更適合用于判斷導(dǎo)水裂隙的發(fā)育范圍。

目前，裂紋尖端的應(yīng)力場區(qū)(K場區(qū))內(nèi)的應(yīng)力強度因子斷裂判據(jù)被廣泛用于巖石材料的裂紋擴展判斷。對于平面問題的Ⅰ型(張開型)和Ⅱ型(滑移型)裂紋(圖2)，當(dāng)應(yīng)力強度因子大于其相應(yīng)的斷裂韌度ⅠC、ⅡC時，材料即產(chǎn)生斷裂。巖石內(nèi)部裂紋尖端的Ⅰ、Ⅱ型應(yīng)力強度因子的表達(dá)式[19]為：

式中：Ⅰ、Ⅱ為內(nèi)部裂紋尖端的序號、序號型應(yīng)力強度因子與按無限體計算的序號、序號型應(yīng)力強度因子的比值；為裂隙半長。

圖2 Ⅰ、Ⅱ型(張開型與滑移型)裂紋

對于巖石材料，在不考慮裂紋方向產(chǎn)生的影響時，根據(jù)式(3)可推導(dǎo)出有原生裂隙存在時的巖體抗拉強度：

將式(5)代入式(2)，可以得到考慮原生裂隙影響的巖體拉張斷裂判據(jù)：

由于序號型裂紋為純剪切狀態(tài)，法向應(yīng)力=0、在這種情況下，由式(1)可得到巖體所能承受的最大剪應(yīng)力：

根據(jù)式(4)推導(dǎo)出純剪切狀態(tài)時，有原生裂隙存在時的巖體所能承受的最大剪應(yīng)力：

聯(lián)立式(1)、式(7)—式(8)，將摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則中的黏聚力定義為斷裂參數(shù)，得到考慮原生裂隙的巖體壓剪斷裂判據(jù)：

在不考慮韌性斷裂特征時，結(jié)合式(6)與式(9)，可以得到覆巖的剪切與拉張斷裂判據(jù)。

2 導(dǎo)水裂隙帶數(shù)值模擬

2.1 工作面概況與模型建立

淮北煤田青東煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣臨渙鎮(zhèn)，礦井面積51.729 1 km2，采用立井多水平、主要大巷開拓方式，分區(qū)石門布置，回采工藝設(shè)計以綜采、綜放為主。839工作面位于3采區(qū)東部，上覆平均厚度為246.03 m的松散層，其中包含有4個承壓含水層，底部含水層對開采威脅較大。主采煤層8煤賦存于二疊系下石盒子組，煤層傾角為21°，頂板以砂巖和泥巖互層為主。將模型簡化為水平開采，根據(jù)工作面附近的鉆孔柱狀圖，建立沿走向的工作面地層模型如圖3所示。模型尺寸為500 m×160 m，模型方案[20]與材料參數(shù)見表1。模擬開采長度200 m，采高6.5 m，工作面每次推進40 m，兩邊留設(shè)150 m的煤柱以消除邊界影響，模擬總厚度為160 m，在模型頂部施加有3 MPa的上覆松散層自重應(yīng)力。

2.2 建立原生裂隙場

不同尺度下隨機分布的微觀孔隙與裂紋使天然巖體成為一種極其復(fù)雜的材料，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與離散介質(zhì)力學(xué)理論均無法很好地描述巖體的材料特性，而單個裂紋的力學(xué)計算也無法直接應(yīng)用到大尺度巖層中[21]?；谶@種考慮，一些學(xué)者將分形幾何學(xué)方法引入巖石力學(xué)領(lǐng)域，對巖體裂隙的分形特征進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)自仿射分形模型可以較好地模擬巖體內(nèi)的裂隙分布[21-22]。參照這種方法，借助分形布朗函數(shù)生成一組具有分形特征的曲面，公式如下:

結(jié)合式(10)與式(11)，利用Matlab生成并調(diào)整隙長數(shù)據(jù)，最終得到平均裂隙長為1.104 mm的一組原生裂隙場(圖4)。利用不同位置處的裂隙長度可以得到整個區(qū)域內(nèi)的斷裂參數(shù)，從而實現(xiàn)大尺度上的斷裂分析。

2.3 原生裂隙場的導(dǎo)入與模型求解

有限元分析軟件COMSOL Multiphysics擁有大量預(yù)定義的物理應(yīng)用模式，范圍涵蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、熱傳導(dǎo)等多種物理場，在多物理場耦合模擬方面有著獨到的優(yōu)勢。在COMSOL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項及邊界條件等可以是常數(shù)、函數(shù)、邏輯表達(dá)式或直接是一個代表實測數(shù)據(jù)的插值函數(shù)。因此，可以將原生裂隙場以插值函數(shù)的形式導(dǎo)入模型，在定義材料屬性時調(diào)用此插值函數(shù)，從而實現(xiàn)對隨機分布的原生裂隙場的模擬。

為了實現(xiàn)對覆巖斷裂的仿真模擬計算，選用COMSOL 5.5版本的固體力學(xué)模塊進行建模分析。本文所提出的覆巖斷裂準(zhǔn)則，實際上可以視為利用原生裂隙場的隙長數(shù)據(jù)對材料抗拉強度和摩爾–庫倫準(zhǔn)則的黏聚力參數(shù)進行的重新定義。因此，可在COMSOL中以表示式(6)、式(9)定義變量，并將原生裂隙長度和各層巖體的強度因子代入變量。在輸入材料參數(shù)時調(diào)用此變量，從而計算各個位置的黏聚力和抗拉強度。在幾何建模中，參照地層模型，建立尺寸為500 m×160 m的二維幾何模型，并將其劃分為9 007個三角形單元。在模型底部邊界施加固定約束，頂部邊界施加3 MPa的垂向荷載，兩側(cè)邊界施加錕支撐約束；最后通過MMPS求解器對覆巖斷裂過程進行穩(wěn)態(tài)求解。

圖4 原生裂隙長度分布

2.4 模擬結(jié)果與討論

2.4.1 斷裂區(qū)域分析

模型開采過程中的覆巖斷裂區(qū)發(fā)育規(guī)律如圖5所示。在工作面推進40 m后，覆巖斷裂區(qū)域主要分布在開切眼和煤壁附近，拉裂區(qū)域和剪裂區(qū)域發(fā)育至采空區(qū)上方1.5 m處的薄層泥巖層中，說明此時偽頂和直接頂已發(fā)生垮落。在邊界外側(cè)，頂板上方64.5~80.5 m處的兩層薄層粉砂巖中也開始發(fā)育分散的壓剪斷裂區(qū)。在工作面推進80 m后，垮落帶發(fā)育至采空區(qū)上方11.5 m處的細(xì)砂巖層。在工作面推進120 m后，開采邊界外側(cè)巖體中開始發(fā)育零星壓剪斷裂區(qū)，主要集中在薄層的泥巖層中，采空區(qū)上方的垮落帶發(fā)育至22.5 m處。在工作面推進至160 m時，導(dǎo)水裂隙分布開始呈現(xiàn)兩側(cè)高、中間低的馬鞍狀，采空區(qū)上方的垮落帶停止向上發(fā)育，采空區(qū)兩側(cè)零星分布的斷裂區(qū)被導(dǎo)通，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到82 m。在工作面推進至200 m時，導(dǎo)水裂隙帶整體導(dǎo)通，兩側(cè)的斷裂區(qū)域基本停止向上發(fā)育，導(dǎo)水裂隙帶高度確定在92.5 m。

除兩層低韌度粉砂巖外，模擬所產(chǎn)生的斷裂區(qū)域基本呈兩側(cè)高，中間低的馬鞍狀。拉裂區(qū)分布在采空區(qū)上方和開采邊界上方，剪裂區(qū)主要分布在邊界外側(cè)，這符合導(dǎo)水裂隙帶的典型特征。與傳統(tǒng)方法自下而上的發(fā)育規(guī)律不同[20]，考慮原生裂隙的導(dǎo)水裂隙發(fā)育更為隨機和離散。斷裂區(qū)域從整個影響范圍內(nèi)的薄層泥巖、粉砂巖巖層開始產(chǎn)生，但直到個別巖層發(fā)生貫通斷裂時，整個導(dǎo)水裂隙帶才產(chǎn)生導(dǎo)通。這是由于相對低韌度的薄層泥巖、粉砂巖巖層在原生裂隙隙長較大處將極易產(chǎn)生破斷，其中的斷裂發(fā)育受原生裂隙影響更為強烈，更容易形成未貫通的散布斷裂區(qū)。

圖5 不同推進距離煤層覆巖斷裂區(qū)域云圖

總的來說，考慮原生裂隙的模擬方法充分考慮了巖石材料中隨機分布的微裂隙、微裂紋的影響，更加符合導(dǎo)水裂隙帶的實際發(fā)育機理。

2.4.2 應(yīng)力場與垂向位移分析

工作面推進160、200 m時的Von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在采空區(qū)外側(cè)，尤其是開切眼和煤壁附近，卸荷區(qū)主要出現(xiàn)在采空區(qū)上方且范圍隨高度增加而減小，應(yīng)力場分布特征與斷裂區(qū)域發(fā)育特征相一致。在160~200 m開采中，應(yīng)力集中區(qū)和卸荷區(qū)主要在水平方向上延伸，基本停止向上擴展，說明此時導(dǎo)水裂隙已經(jīng)失去繼續(xù)向上發(fā)育的能力，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到最大值。

圖6 工作面推進160、200 m的覆巖Von Mises應(yīng)力云圖

工作面推進至200 m處的垂向位移云圖如圖7所示，覆巖位移基本呈對稱分布，在采空區(qū)中部達(dá)到峰值。較大的位移集中在采空區(qū)上方，最大位移量已達(dá)114 mm，證明頂板處發(fā)生嚴(yán)重垮落。垂直位移等值線在開采邊界外側(cè)較為密集，表明在邊界外側(cè)覆巖沉降量變化劇烈，在同一巖層中位移的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生較強的剪應(yīng)力。采空區(qū)上方的等值線分布較為均勻，說明垮落區(qū)已進行充分的壓實，未有離層出現(xiàn)，也間接說明此時導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)停止向上發(fā)育。

綜合上述斷裂區(qū)、應(yīng)力場和位移場分析，可以得到如下結(jié)論：隨著工作面的推進，采空區(qū)上方和邊界外側(cè)產(chǎn)生卸荷和應(yīng)力集中；斷裂首先在韌度較低的薄層粉砂巖與泥巖層內(nèi)發(fā)育，最終整體導(dǎo)通形成導(dǎo)水裂隙帶；在開采至200 m時，隔水巖層被全部貫通，垮落帶經(jīng)充分壓實，斷裂區(qū)域停止向上發(fā)展，導(dǎo)水裂隙帶高度最終發(fā)育至92.5 m。

圖7 工作面推進至200 m處的垂向位移云圖

3 方法對照

采用離散元分析軟件3DEC對該工作面進行傳統(tǒng)數(shù)值模擬工作，求取開采后覆巖內(nèi)塑性區(qū)分布。結(jié)果顯示，在相同地質(zhì)條件下，導(dǎo)水裂隙帶高度為77.2 m，裂采比為11.88。此外，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017年版)，經(jīng)驗公式法也可用于導(dǎo)水裂隙帶高度估計。在本工況下，采用中硬巖性計算公式：

式中：li為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；為煤層采高，m。采高6.5 m時，導(dǎo)水裂隙帶計算高度為60.99 m。

導(dǎo)水裂隙帶的現(xiàn)場測量主要利用物探、鉆探等手段，通過覆巖導(dǎo)水能力、破壞形態(tài)、物理參數(shù)的變化確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。其中，鉆孔沖洗液漏失量觀測法通過測定鉆孔沖洗液在鉆進過程中遇到導(dǎo)水裂隙而引起的消耗量變化來判定“兩帶”高度，可以直接反映覆巖導(dǎo)水能力；彩色電視成像則可更直觀地獲取覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況。根據(jù)前期研究，采用沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視觀測所得到的導(dǎo)水裂隙帶高度分別為89.21 m和91.10 m[20]。

從以上數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式和現(xiàn)場測量的結(jié)果來看(表2)，考慮原生裂隙的模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量的導(dǎo)水裂隙帶高度和裂采比最為接近，模擬結(jié)果數(shù)值略高，考慮是由于原生裂隙導(dǎo)致覆巖物理力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)非均質(zhì)性，進而影響導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，但具體機理還需進一步深入研究。傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法所得到的裂采比比實際情況更低，而經(jīng)驗公式法計算結(jié)果的誤差更大，2種方法對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的危險性估計不足。因此，考慮原生裂隙的模擬方法能夠更好地反映導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

表2 導(dǎo)水裂隙帶實測與預(yù)計研究結(jié)果

4 結(jié)論

a.將K場區(qū)內(nèi)的應(yīng)力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則結(jié)合，推導(dǎo)原生裂隙存在時的巖石斷裂準(zhǔn)則。

b.采用自仿射分形模型所生成的裂隙場可較好地模擬巖體內(nèi)復(fù)雜而無序的原生裂隙分布，從而實現(xiàn)在整個巖層尺度上的斷裂分析。

c.斷裂區(qū)域首先在煤系巖層和上覆薄層泥巖、粉砂巖層中發(fā)育，整體貫通后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到92.5 m。

d.與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量的導(dǎo)水裂隙帶高度和裂采比更為接近，能更好地反映導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，但其影響的具體機理還需進一步研究。

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Numerical simulation of fractured water-conducting zone by considering native fractures in overlying rocks

LI Ruirui, CHEN Luwang, OU Qinghua, CHEN Yifei, WANG Yingxin, GE Rutao, PENG Zhihong

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The height of the fractured water-conducting zone(FWCZ) is vital to the mine safety and the ecological environment protection of the mining areas. Previous numerical simulation method which judge the range of the fractured water-conducting zone through plastic zone can not fully reflect the failure mechanism of overburden. In order to predict the height of FWCZ more accurately, the fracture criterion of rock in the presence of native fracture is proposed by combining the fracture criterion of stress intensity factor with the Mohr-Coulomb yielding criterion. Native fracture field was constructed with self-affine fractal model and the finite element analysis software COMSOL Multiphysics was utilized to apply the native fracture field and the rock fracture criterion to the numerical simulation of the FWCZ’s development in Qingdong Coal Mine. The results show that the height of FWCZ reaches 92.5 m when considering the native fractures. In contrast with the traditional "plastic zone" method and empirical formula method, the ratio of the height of the FWCZ to the mining height in the proposed method is closer to the field measured value, indicating that the fracture field generated by the self-affine fractal model can appropriately simulate the complex and disordered distribution of native fractures in rock mass. Therefore, the proposed method could better reflect the development mechanism of fractured water-conducting zone.

fractured water-conducting zone; native fracture field; self-affine fractal; numerical simulation; Qingdong Coal Mine

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TD 313

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.024

1001-1986(2020)06-0179-07

2020-07-24；

2020-09-30

國家自然科學(xué)基金面上項目(41972256)

National Natural Science Foundation of China(41972256)

李蕊瑞，1996年生，男，河南南陽人，碩士，從事煤礦水害防治和水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究工作. E-mail：rruili1@163.com

陳陸望，1973年生，男，湖北蘄春人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤礦水害防治和水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究工作. E-mail：luwangchen8888@163.com

李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，等. 考慮覆巖原生裂隙的導(dǎo)水裂隙帶模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：179–185.

LI Ruirui，CHEN Luwang，OU Qinghua，et al. Numerical simulation of fractured water-conducting zone by considering native fracturs in overlaying rocks[J]. Coal Geology & Exploration, 2020, 48(6)：179–185.

(責(zé)任編輯 周建軍)