采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱的围岩变形与渗流场数值模拟.doc

采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱的围岩变形与采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱的围岩变形与 渗流场数值模拟渗流场数值模拟 摘要 摘要 通过引入孔隙水作用于围岩的体积力项 采用弹塑性本构模型和达西渗流模型 有限元数值模拟和分 F 析了存在一穿透煤层的强充水型隐伏岩溶陷落柱时的带压开采过程中 煤层围岩的变形和渗流场随采煤工作面逐 步接近陷落柱时的变化规律 探讨了孔隙水压力对围岩变形的影响 并分析了在存在岩溶陷落柱条件下的合理防 水煤柱预留距离 数值模拟结果可为含特殊地质构造煤层的开采设计提供依据 同时为进一步的流固耦合作用和 煤层底板突水机理的研究以及防水煤柱的留设提供一定的参考 关键词 关键词 带压开采 陷落柱 底板突水 流固耦合 NUMERICAL SIMULATION ON ROCK DEFORMATION AND SEEPAGE FIELD WITH A FULLY WATER KARSTIC COLLAPSE COLUMN UNDER MINING INFLUENCE Abstract Due to the great economic loss and security threat water inrush in coal mining is drawing more and more attention Considering the complicated engineering geological and hydrological conditions numerical simulation is playing an important role for the mechanism research of coal water inrush especially in the case of existence of karstic collapse columns The coupling effect between the confined water and the confining rock is not neglectable concerning with the deformation and damage of rock in the coal mining The deformation of confining rock and the seepage field of pore water with a fully water karstic collapse column in the process of coal mining is simulated by finite element method in which elasto plastic constitutive model for the coal layer and the confining rock and Darcy s seepage model for pore water are adopted The body force term is introduced to describe the influence of pore water pressure on the deformation of confining rock F The varying characteristics of stress plastic deformation and seepage velocity along with the mining process are given The damaged areas in the confining rock and the coal layer along with the decrease of the distance between the mining face and the karstic collapse columns are computed and the distance from the mining face to the karstic collapse columns needed as the reserved coal column for prevention of water inrush is also quantitatively given Besides the results for two cases one with the existence of the body force term and another without the F existence of the body force term are compared to show the effect of solid liquid coupling F The result is helpful for coal mining design under complicated geological structure It is also useful for further analysis on fluid solid coupling for studying on the mechanism of water outrush from coal floor as well as for proper designing of coal pillar to prevent water inrush in coal layer Key words coal mining upon confined water karstic collapse column water inrush solid liquid coupling 1 引引 言言 随着煤层开采深度地不断增加 岩溶陷落柱广 泛发育的我国华北煤田由于受到奥陶纪灰岩含水层 承压水的作用 面临着危害极大的突水问题 1 例 如 2007 年 1 月 辽宁本溪田师付镇高嗣海煤矿在 主井三段绞车房及 259 水平掘进工作面发生突水 事故 造成 7 人死亡 对于煤层突水机理及其判据的研究 高延法等 总结了底板突水规律 并提出突水优势面理论 2 尹尚先等将陷落柱突水通道概化为 柱体突水通道 模式 建立了 厚壁筒 力学模型 依据极限平衡 原理提出相应的突水理论判据 3 4 许进鹏等分析 了弱径流条件下陷落柱柱体活化导水机理及判据 5 为提高突水预测的准确性 文献 6 9 着重对陷落 柱的充水 导水和阻水等性质进行了分析 近年来 有限差分法 有限单元法等的数值模拟方法不断用 于研究煤层突水问题 王尚旭等采用基于有限差分 2 法的 FLAC3D程序对陷落柱影响下的采场围岩应力 应变特征进行了数值模拟 10 王连国等利用重整 化群方法研究煤层底板岩层单元体破裂的随机性和 关联性 以此为基础对煤层底板突水的临界特性进 行了分析 11 Wang 等通过 FLAC3D的模拟分析 对采空区底板岩层破断突水机理进行了解释 12 杨栋等考虑突水过程中的应力场和渗流场的耦合效 应 建立了渗透系数随断层变形而不断变化的数值 模型 13 文 14 应用有限元软件 ANSYS 对存在陷 落柱情况下的流固耦合作用进行了研究 以上的研 究成果为煤矿开采中的煤层突水防治工作提供了理 论基础和设计依据 本文根据某矿区的工程水文地质条件 采用弹 塑性本构模型和达西渗流模型 并考虑流固耦合效 应 通过有限元法数值模拟了存在一强充水型穿透 煤层的隐伏岩溶陷落柱条件下 煤层围岩的变形特 点以及渗流场随采煤工作面推进过程的变化规律 探讨了孔隙水压力对围岩变形的影响 计算了煤层 底板发生底鼓的变形量及其随采掘推进而前移的规 律 以及定量给出了含有岩溶陷落柱条件下防突水 煤柱预留的距离 从而为合理地设计预留防水煤柱 提供依据 同时为防治突水问题中的流固耦合作用 分析以及煤层底板突水机理的研究提供参考 2 应力与渗流耦合作用的理论模型应力与渗流耦合作用的理论模型 2 1 应力场和渗流场的耦合应力场和渗流场的耦合 岩石和煤层作为多孔介质 在外力作用下的变 形将改变原有的孔隙水压力分布及渗流特性 而孔 隙水压力又反作用于岩石骨架 从而导致岩石骨架 的应力重分布 因此围岩和煤层的应力平衡状态是 岩石骨架应力和孔隙水渗流压力相互耦合的结果 首先假设各岩层和煤层均为各向同性介质 根据 Terzaghi 有效应力原理 当外力作用于多孔 介质时 其总应力可分为两部分 一部分为 总 孔隙水压力 另一部分则为岩石介质所承受p 的有效应力 且 p 总 1 由弹性力学可知 任一点应力平衡微分方程为 F 2 其中为体积力 F 对岩石类多孔介质来说 结合 1 2 两式得 pF 3 记 则方程 3 可简化为 pF FF 4 方程 4 即为考虑孔隙水压力在内的围岩应 力平衡微分方程 其中新增的体积力项作为应 F 力和渗流的耦合项 是孔隙水对围岩变形的作用 其仅和孔隙水压力有关 2 2 承压水在岩石介质中的渗流承压水在岩石介质中的渗流 假设各岩层为各向同性多孔介质 且岩层中地 下水的运移方式为多孔介质中的渗流运动 并满足 达西渗流定律 在稳态情况下 忽略水的可压缩性 达西定律可表示为 pDg g K u 5 其中为渗流速度 为渗透系数 为uK 水的密度 为重力加速度 为竖直方向的gD 坐标值 为承压水的压力 p 方程 4 和 5 即为应力与渗流的耦合方程 2 3 顶底板岩层的弹塑性破坏准则顶底板岩层的弹塑性破坏准则 对于固相的围岩和煤层材料 文中采用理想弹 塑性本构模型 其中屈服条件为莫尔 库仑准则 平面应变状态下的莫尔 库仑准则可以表示为 15 屈服函数 KF eqvm 3 6 2 tan129 tan 7 2 tan129 3 c K 其中为静水压力 为等效应力 m eqv 为摩擦角 为粘聚力 c 采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱的围岩变形与渗流场数值模拟 3 3 矿区的工程水文地质和数值模型矿区的工程水文地质和数值模型 3 1 矿区的工程 水文地质条件矿区的工程 水文地质条件 矿区井田构造呈地堑形式 中间为复合式向斜 北部边界为北升南降 NNE 走向的断层以及南升北 降 十字道背斜组合而成的断裂破碎带 南部边界 为南升北降 NEE 走向的断层和北升南降 NEE 向的 地垒组合而成的断裂破碎带 矿区发育的地层自下而上依次为奥陶纪下马家 沟组 O2x 奥陶纪上马家沟组 O2s 奥陶纪峰 峰组 O2f 石炭纪本溪组 C2b 石炭纪太原组 C3b 二叠纪山西组 P1s 二叠纪石盒子组 P1x 地面为第四纪黄土覆盖 开采煤层位于二 叠纪山西组 其顶板为砂质泥岩 局部细砂岩 底 板黑色泥岩 矿区东部煤层 650m 水平处于奥灰水位之上 西部煤层已处于 650m 水平以下 都受到不同程 度的底板水威胁 矿区主要分为四个含水层结构 顶板灰岩含水层 底板 K5 灰岩含水层 底板 K4 K3 K2 灰岩含水层组以及奥灰岩含水层 在 K5 与 K4 之间出现较多的中粗砂岩 细砾岩聚集 体 使下部灰岩 K2 K4 与上部 K5 之间含水层有 可能发生垂直水力联系 采区主要含水层 K2 灰岩 及奥陶系灰岩上距开采煤层 95 130m 隔水层累 计厚度在 56 83m 之间 砂岩层总厚为 31m 在 隔水层较完整地段 不会对安全开采构成威胁 但 在构造带 导水陷落柱及井下揭露太灰等地段 尤 其在导水陷落柱发育区 底板发生突水的几率则大 大增加 3 2 数值模型的边界条件及网格划分数值模型的边界条件及网格划分 考虑到开采方法为走向长壁式 工作面斜长 及走向长度远大于煤层厚度 文中对围岩和煤层 材料采用平面应变弹塑性模型 并将孔隙水压力 对围岩形的作用通过体积力增加到平面应变 F 模型中 渗流场分析采用达西渗流模型 岩层中的裂隙 断层暂不考虑 并且不考虑构 造应力 岩层只承受自重应力和水压力 各岩层的 力学参数如表 1 所示 表表 1 各岩层力学参数各岩层力学参数 Table 1 Rock mechanics parameters 岩性 渗透系数 m s 抗拉强度 MPa 容重 KN m3 弹性模量 Gp 泊松 比 中细砂岩 砂质泥岩 炭质泥岩 煤层 泥岩 粉砂岩 灰岩 陷落柱 1 0 10 7 5 0 10 7 1 0 10 7 2 0 10 6 1 0 10 7 2 0 10 7 2 0 10 3 2 0 10 2 10 9 5 1 0 0 81 1 0 1 0 2 8 24 24 24 11 24 24 22 17 33 29 19 2 0 19 19 21 22 0 23 0 29 0 23 0 35 0 24 0 23 0 28 0 21 数值模拟区域选取垂直于工作面长度为 300m 竖向尺度按实际地层厚度总计 96 4m 计算 范围以上的覆盖地层受力按等效重力给定 即顶部 边界条件给定 6 0MPa 的上覆岩层压力 左右两边 界仅对其水平方向位移施加约束 且设定为不透水 边界 底部边界固定 并设定 5 0MPa 的水压力边 界条件 奥灰承压水的作用 陷落柱边界同样设 定 5 0MPa 的水压力边界条件 各岩层界面则满足 流量连续性条件 计算模型与边界条件如图 1 所示 其中图 1 a 为几何模型与边界条件 图 1 b 为计 算网格划分 4 数值模拟结果及其分析数值模拟结果及其分析 4 1 围岩应力围岩应力 变形特征变形特征 图 2 和图 3 分别给出了工作面推进过程中围岩 的第一主应力以及塑性变形云图 可以看出 随着 工作面距陷落柱距离的减小 围岩应力值和变形程 度不断增大 应力集中程度也愈来愈明显 塑性破 坏区域不断扩大 且煤层顶板塑性破坏区域明显大 于煤层底板 当采掘推进到 100m 距陷落柱 65m 时 采空区顶板受拉应力破坏的区域以及煤 层工作面受压应力作用的区域就是主要的塑性破坏 区域 a b 图 1 几何模型与网格划分 Fig 1 Geometric model and element division 数值模拟结果表明 当工作面推进 120m 即 距离陷落柱 45m 时 围岩和防水煤柱的塑性破坏 区域即可与陷落柱或 含水层连通 形成新 煤层 粉砂岩 泥岩 灰岩 炭质泥岩 砂质泥岩 中细砂岩 陷 落 柱 上覆地层重力 压力边界 不 透 水 边 界 不 透 水 边 界 4 的导水通道 在含水层富水性较强或奥灰承压水头 较高的条件下 容易发生突水现象 a 距陷落柱 125 m b 距陷落柱 65m 图 2 随工作面推进的第一主应力分布云图 Fig 2 First principle stress along with mining progress 4 2 渗流场特性随工作面推进的分布变化渗流场特性随工作面推进的分布变化 图 4 和图 5 分别给出了工作面离陷落柱 145 m 和 65m 时 距煤层 0 7m 的底板内压力水头梯度和 垂向渗流速度分布曲线 可以看出 随着工作面的 推进 陷落柱区域的渗流速度远小于其他区域 采 空区的垂向渗流速度明显大于非采空区 这说明采 空区对渗流有导引作用 而工作面的推进距离对陷 落柱区域和采空区的渗流速度影响不大 此外 从渗流速度的分布特征可以看出 陷落 柱对采动影响具有屏蔽作用 即采动只影响工作面 与陷落柱之间范围的渗流场特征 而对跨越陷落柱 的一侧几乎无影响 a 距陷落柱 125 m b 距陷落柱 85 m c 距陷落柱 65 m d 距陷落柱 45 m 图 3 随工作面推进的塑性变性区域扩展 Fig 3 Extensionof plastic deformation with mining progress 由于采空区的垂向渗流速度远大于其它区域 尤其在开工作面附近 所以一旦塑性破坏区域和含 水层连通 形成新的导水通道时 奥灰承压水和工 作面发生水力联系 极易发生强突水事故 a b 图 4 不同采掘距离时的压力水头分布 Fig 4 Variation of pressure head gradient with mining progress a b 图 5 不同采掘距离时的渗流速度分布 Fig 5 Variation of seepage velocity with mining progress 4 3 不同开挖距离时的底板位移变化不同开挖距离时的底板位移变化 图 6 是工作面离陷落柱分别为 145m 105m 65m 和 45m 时 距煤层 0 7m 处底 板的位移变化曲线 可知底板位移峰值出现在工作 面前方 且此峰值随工作面的推进而不断前移和增 大 在工作面推进过程中 随着围岩应力的重新分 采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱的围岩变形与渗流场数值模拟 5 布 采掘面附近的底板围岩压应力逐步增加 而采 空区的底板围岩则处于卸荷状态 应力值逐渐减 小 卸荷变形越来越大 易发生底鼓现象 且原 来处于受压状态的煤层底板发生应力恢复 底板 位移将发生更大的卸荷变形 图中可知 采掘推 进至 120m 处 距陷落柱 45m 时 底板卸荷变 形可达 50mm 图 6 距煤层 0 7m 底板处的位移随工作面推进的变化曲线 Fig 6 Deformation of floor along with mining progress 4 4 孔隙水压力对围岩变形的影响孔隙水压力对围岩变形的影响 图 7 和图 8 分别是工作面离陷落柱 105m 承 压水水压 5 0Mpa 条件下 考虑耦合作用 和非耦合作用下 时 煤pF 0 F 层底板 0 7m 处的位移对比曲线和第一主应力对 比曲线 由图 7 可知 在考虑孔隙水压力对围岩变形的 影响时 底板位移明显大于不考虑水压力对围岩变 形影响时的值 二者之间的位移差值在采空区内相 对稳定 当进入工作面前方未开采区域时 两者的 差值开始有所增加 而在陷落柱附近突增 由图 8 可知 孔隙水压力对底板应力分布的影 响作用突出表现在陷落柱区域 此区域的第一主应 力有明显的增加 说明孔隙水压力对底板的变形破 坏作用不可忽略 尤其是在含有强充水型 充填性 和胶结性不好的陷落柱条件下 图 7 耦合作用和非耦合作用下的底板位移对比曲线 Fig 7 displacements under coupling and non coupling 图 8 耦合作用和非耦合作用下的第一主应力对比曲线 Fig 8 First principal stresses under coupling and non coupling 综上所述 由数值模拟结果分析可知 陷落柱 的存在使渗流场分布极不均匀 采空区的垂向渗流 速度明显大于非采空区 陷落柱只影响工作面和陷 落柱之间范围的渗流场特征 但采动使该范围内的 应力集中程度和塑性破坏区域增加 在强富水性含 水层或奥灰高承压水头条件下 极易发生突水事故 5 结结 语语 通过数值模拟带压开采条件下 存在一穿透煤 层的强充水型隐伏陷落柱时的围岩变形和渗流场变 化特征 可以得出如下结论 1 采空区顶板以及靠近开采一侧的陷落柱上 方围岩容易发生剪切破坏和拉破坏 2 受采动影响 围岩应力集中程度及其范围 逐渐增大 塑性破坏区域也不断扩大 当工作面距 离陷落柱 45m 时 隔水层塑性破坏即可连通工作 面和陷落柱或者含水层 从而形成新的导水通道 发生突水现象 从而可确定防突水煤柱预留的距离 须大于 50m 3 由于采空区对渗流的导引作用 采空区的 垂向渗流速度明显大于非采空区 强充水型陷落柱 对采动影响具有屏蔽作用 即采动对围岩变形和渗 流场的影响只表现在工作面与陷落柱之间范围内 而对陷落柱的另一侧则几乎无影响 4 随着工作面的推进 工作面附近底板位移 出现一峰值 其大小随裁决的推进而不断前移和增 大 采空区底板则处于卸荷状态 且卸荷变形值随 工作面的推进而不断增大 5 孔隙水压力对围岩变形的影响不可忽略 煤层底板突水是采动和承压水对围岩共同作用的结 果 对煤层底板突水机理的研究必须考虑应力场和 渗流场的相互耦合作用 参考文献参考文献 References 6 1 贾贵廷 胡宽容 华北型煤田陷落柱的形成及分布规律 J 中国 岩溶 1989 8 4 261 267 Jia Guiting Hu Kuanrong The formation and distribution of collapse columns in North China type coal fields J Carsologica Sinica 1989 8 4 261 267 in Chinese 2 高延法 施龙青 娄华君等 底板突水规律与突水优势面 M 中国矿业大学出版社 徐州 1999 Gao Yanfa Shi Longqing Lou Huajun Law of mining floor water inrush and its preferred plane M Xuzhou China University of Mining and Technology Press 1999 in Chinese 3 尹尚先 王尚旭 武强 陷落柱突水模式及理论判据 J 岩石力 学与工程学报 2004 23 6 964 968 Yin Shangxian Wang Shangxu Wu Qiang Water inrush patterns and theoretic criteria of karstic collapse 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