楊登峰，陳忠輝，李　博，劉　鑫，高　欽

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

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煤礦底板采動突出水體運移特征的數(shù)值分析

楊登峰，陳忠輝，李博，劉鑫，高欽

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

[摘要]針對煤礦底板采動突水過程中采空區(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，應用RFPA2D-flow數(shù)值模擬軟件，結(jié)合回坡底煤礦11號煤層開采工作面的具體工程地質(zhì)條件，對在采動應力和承壓水壓力聯(lián)合作用下底板的損傷、破壞直至突水的全過程進行了數(shù)值模擬研究。通過對工作面推進過程中底板的破壞過程、應力變化和滲流場的分析，揭示了突出水體的運移規(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個區(qū)域，從而確定了應重點防治的突水危險區(qū)域。研究結(jié)果對工程中的防治水實踐具有一定的指導意義。

[關鍵詞]底板；采動應力；滲流場；數(shù)值分析

[引用格式]楊登峰，陳忠輝，李博，等.煤礦底板采動突出水體運移特征的數(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。在當今的高強度開采條件下，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。針對突水災害，我國科技工作者從理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析的角度針對底板突水做了大量研究工作[1-5]，在突水發(fā)生的機理、評價方法、突水通道形成過程等方面進行了研究，為煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)作出了卓越貢獻。但對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，工作面推進過程中底板巖體先后經(jīng)歷了壓縮、膨脹和變形恢復3個變形階段，形成底板破壞損傷破壞區(qū)，當?shù)装宀蓜悠茐膮^(qū)與承壓水溝通時，突水通道貫通，造成了底板水突出。在底板變形破壞的各個階段，其應力狀態(tài)也各不相同，根據(jù)采動作用下的滲流場與應力場的耦合作用特征[6-10]，底板水的突出過程也應表現(xiàn)出與底板巖體受力破壞相對應的階段性特征。因此研究工作面推進方向上底板損傷破壞不同階段突水強度和滲流范圍及對于突水全過程的階段性特征的劃分，以確定突水危險區(qū)域和流體運移規(guī)律，對于防治突水災害具有一定意義。

本文在考慮巖石非均勻性及巖體滲流-應力-損傷耦合作用的基礎上，應用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的煤層開采過程，對完整底板的突出水體的運移規(guī)律進行模擬和分析，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儲水性能中等偏弱；奧灰為厚度較大的石灰?guī)r，儲水能力強，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號煤層開采的具體工程地質(zhì)情況為例，分析工作面推進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，基于細觀尺度上的本構模型，建立底板突水數(shù)值模擬的二維平面應變模型。模型沿水平向取480m，垂直向取280m，劃分為480×280共134400個單元格，設置18層巖層。層間設置節(jié)理，代表巖層中的層理弱面。各巖層材料力學參數(shù)如表1所示。

表1　數(shù)值模型巖石力學參數(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；設置180m的定水頭邊界。開切眼距左邊界150m，設計每步開挖10m，每步時間間隔設置為1d，開挖15步，累計開挖150m。

圖1　RFPA數(shù)值模型示意

2.2底板采動突水過程分析

圖2是工作面推進過程中的底板變形破壞過程所對應的彈性模量分布圖，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。當工作面推進到25～46m時，開切眼處底板產(chǎn)生拉剪復合型破壞，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，對應圖2(a)，3(a)；工作面推進到50~55m左右時，煤壁處由于應力增高，產(chǎn)生了壓剪切破壞，工作面后方也同時出現(xiàn)了新的向采空區(qū)內(nèi)部擴展的裂縫，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，對應圖2(b)，3(b)；當工作面推進到70～80m左右時，底板破壞區(qū)的深度達到了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，對應圖2(c)，3(c)；當工作面推進至90～100m附近，拉張裂隙帶不斷擴展，底板巖層破壞深度和范圍進一步擴大，突水量進一步增加，對應圖2(d)，3(d)。在底板壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處，容易導致張剪破壞，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)域是突水危險區(qū)。

圖2　開采過程中的彈性模量動態(tài)分布(局部放大)

圖3　開采過程中的流量場分布

承壓水的運移與底板裂隙擴展密切相關。煤層開采過程中，礦山壓力作用打破了底板巖層的初始應力平衡狀態(tài)，使采空區(qū)的周圍巖體產(chǎn)生應力集中，底板巖體受到拉剪破壞，應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。采動應力作用下原始導水裂隙不斷擴展，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)生應力釋放，支承壓力值較?。辉诿簩娱_挖后，支承壓力值在遠離采區(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，直到原巖應力狀態(tài)。工作面初次來壓后，隨工作面向前推進，由于開挖空間的增大，工作面推進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，煤壁支承應力為原始應力的4倍左右，達到最大值約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力動態(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)形成應力集中，隨著工作面的不斷推進，集中應力逐漸增大，且開切眼下方底板對應位置的集中應力向采空區(qū)上方的對應位置有一定的延伸，即在開切眼和煤壁附近12m范圍內(nèi)形成彈塑性高應力區(qū)，此范圍保護層的主應力最大，煤巖出現(xiàn)壓剪破壞，形成裂隙通道，相對其他區(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態(tài)分布規(guī)律

圖5　開采過程中底板主應力動態(tài)分布規(guī)律

在這個應力變化的過程中，工作面推進方向上的底板巖層也按照應力的變化規(guī)律形成了分區(qū)分段的破壞特征。對比分析圖4，圖5曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨工作面推進，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，底板主應力迅速升高，形成了底板的壓縮區(qū)；隨著工作面的推進，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，重新形成壓縮應力區(qū)，使膨脹區(qū)域變形恢復，形成變形恢復區(qū)。隨工作面推進，底板巖層的所有點都經(jīng)歷了“壓縮-應力解除-再壓縮”的應力作用過程，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3個階段(見圖6)。

圖6　底板破壞分區(qū)

2.4突水滲流規(guī)律

工作面推進過程中，底板巖層的滲透系數(shù)不斷增大，在采動應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力區(qū)向低應力區(qū)運移。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，應力重分布，按工作面推進方向先后形成了應力升高區(qū)、應力解除區(qū)和應力恢復區(qū)，對應的底板巖層的變形可分為壓縮區(qū)、膨脹區(qū)和變形恢復區(qū)。分析底板的應力變化狀態(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，可對照圖7中的底板的突水流量曲線分析底板壓縮區(qū)、膨脹區(qū)和變形恢復區(qū)的突水特征：壓縮區(qū)對應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)對應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，是突出危險區(qū)。突水量平穩(wěn)增加區(qū)對應底板的拉張破壞帶的卸荷膨脹平穩(wěn)區(qū)，因為該區(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)對后方變形恢復區(qū)巖體產(chǎn)生擠壓變形及地應力的雙重作用，使得該處巖體部分裂隙逐漸閉合，滲流量降低(圖7中工作面推進到90m時底板流量曲線)，因此，變形恢復區(qū)對應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，在采動應力和承壓水壓力聯(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，為突水危險區(qū)域。

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

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

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[責任編輯：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-圍巖關系方面的研究工作。

[基金項目]國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2013CB227903)；國家自然科學基金項目(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]TD742.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0101-04