煤矿底板采动突出水体运移特征的数值分析

杨登峰，陈忠辉，李　博，刘　鑫，高　钦

(中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)



煤矿底板采动突出水体运移特征的数值分析

杨登峰，陈忠辉，李博，刘鑫，高钦

(中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

[摘要]针对煤矿底板采动突水过程中采空区底板破坏的不同阶段突水量存在明显差别的特征，根据损伤岩体的流固耦合作用，应用RFPA2D-flow数值模拟软件，结合回坡底煤矿11号煤层开采工作面的具体工程地质条件，对在采动应力和承压水压力联合作用下底板的损伤、破坏直至突水的全过程进行了数值模拟研究。通过对工作面推进过程中底板的破坏过程、应力变化和渗流场的分析，揭示了突出水体的运移规律，将底板突水区域划分为突水减量减速区、突水量陡增区、突水量平稳增加区和突水流量缓降区4个区域，从而确定了应重点防治的突水危险区域。研究结果对工程中的防治水实践具有一定的指导意义。

[关键词]底板；采动应力；渗流场；数值分析

[引用格式]杨登峰，陈忠辉，李博，等.煤矿底板采动突出水体运移特征的数值分析[J].煤矿开采，2015，20(6)：101-104.

1概述

矿井水害是制约煤矿生产的重大难题，据统计约60%的煤矿都发生过突水事故，且其中的大部分突水事故是发生在回采工作面上。在当今的高强度开采条件下，突水事故发生的几率和危害性更大，给我国煤矿生产带来重要的影响。针对突水灾害，我国科技工作者从理论分析、现场监测及数值分析的角度针对底板突水做了大量研究工作[1-5]，在突水发生的机理、评价方法、突水通道形成过程等方面进行了研究，为煤炭企业的安全生产作出了卓越贡献。但对突水过程中底板各变形破坏阶段的承压水突出特征所做的分析较少。根据矿山压力理论，工作面推进过程中底板岩体先后经历了压缩、膨胀和变形恢复3个变形阶段，形成底板破坏损伤破坏区，当底板采动破坏区与承压水沟通时，突水通道贯通，造成了底板水突出。在底板变形破坏的各个阶段，其应力状态也各不相同，根据采动作用下的渗流场与应力场的耦合作用特征[6-10]，底板水的突出过程也应表现出与底板岩体受力破坏相对应的阶段性特征。因此研究工作面推进方向上底板损伤破坏不同阶段突水强度和渗流范围及对于突水全过程的阶段性特征的划分，以确定突水危险区域和流体运移规律，对于防治突水灾害具有一定意义。

本文在考虑岩石非均匀性及岩体渗流-应力-损伤耦合作用的基础上，应用RFPA2D-flow[11]数值模拟软件，结合回坡底煤矿有底板突水危险的煤层开采过程，对完整底板的突出水体的运移规律进行模拟和分析，以期为煤层开采过程中的防治水工作提供理论依据。

2底板采动突水规律分析

2.1模型建立及参数选择

回坡底煤矿位于山西临汾市西北汾西南部，其中11号煤层平均厚度为2.96m，与奥灰水平均距离为25.4m，奥灰水水压为1.8MPa，采用长壁式采煤法，采空区顶板全部垮落法管理，11号煤层主要受到顶部太原组K2石灰岩含水层和底部的奥陶系石灰岩含水层组影响。K2石灰岩储水性能中等偏弱；奥灰为厚度较大的石灰岩，储水能力强，是影响矿区煤层开采的主要含水层[12]。因此，本文以山西回坡底煤矿11号煤层开采的具体工程地质情况为例，分析工作面推进过程中的底板破坏及突水特征。在考虑岩石材料非均匀性的条件下，基于细观尺度上的本构模型，建立底板突水数值模拟的二维平面应变模型。模型沿水平向取480m，垂直向取280m，划分为480×280共134400个单元格，设置18层岩层。层间设置节理，代表岩层中的层理弱面。各岩层材料力学参数如表1所示。

表1　数值模型岩石力学参数

数值模型见图1，模型边界条件：垂直向采用自重加载，水平向及底端固定约束；设置180m的定水头边界。开切眼距左边界150m，设计每步开挖10m，每步时间间隔设置为1d，开挖15步，累计开挖150m。

图1　RFPA数值模型示意

2.2底板采动突水过程分析

图2是工作面推进过程中的底板变形破坏过程所对应的弹性模量分布图，还原了底板损伤-变形-断裂-接触-破坏直至底鼓的这一动态演化全过程(颜色灰度反映了单元弹性模量的大小，灰度越亮，表示弹性模量越大；灰度越暗，弹性模量越小)。数值模拟结果表明，工作面开切眼形成之后，底板在开挖引起的卸荷膨胀变形作用下，出现了应力集中、变形和破坏，形成了底板的变形破坏带和弹塑性变形带。当工作面推进到25～46m时，开切眼处底板产生拉剪复合型破坏，裂缝从煤壁下方向采空区侧底板延伸，并有层间开裂产生，对应图2(a)，3(a)；工作面推进到50~55m左右时，煤壁处由于应力增高，产生了压剪切破坏，工作面后方也同时出现了新的向采空区内部扩展的裂缝，底部岩层出现了若干条垂直发育的原位张裂，底板出现了张剪和拉张两种裂隙，对应图2(b)，3(b)；当工作面推进到70～80m左右时，底板破坏区的深度达到了13~17m，在煤壁下方向着采空区的方向形成了拉张裂隙带，形成了渗流通道，开始有承压水突出，对应图2(c)，3(c)；当工作面推进至90～100m附近，拉张裂隙带不断扩展，底板岩层破坏深度和范围进一步扩大，突水量进一步增加，对应图2(d)，3(d)。在底板压缩区与膨胀区的交界处，容易导致张剪破坏，裂隙大量产生。底板隔水层破坏，沟通含水层，形成突水通道，承压水容易突出。该区域是突水危险区。

图2　开采过程中的弹性模量动态分布(局部放大)

图3　开采过程中的流量场分布

承压水的运移与底板裂隙扩展密切相关。煤层开采过程中，矿山压力作用打破了底板岩层的初始应力平衡状态，使采空区的周围岩体产生应力集中，底板岩体受到拉剪破坏，应力的作用在微观上使单元产生变形损伤破坏，宏观上则使岩体的裂隙形成和渗透率明显增大。采动应力作用下原始导水裂隙不断扩展，最终与工作面开采卸荷造成的底板损伤破坏带贯通，底板奥灰承压水沿岩层之间的拉张裂隙通道流向采空区。

2.3底板破坏分区

工作面附近的煤壁由于开挖卸载而产生应力释放，支承压力值较小；在煤层开挖后，支承压力值在远离采区方向上总体的变化趋势是：先升高，升高到峰值后再开始降低，直到原岩应力状态。工作面初次来压后，随工作面向前推进，由于开挖空间的增大，工作面推进单位距离引起的支承压力集中值的增大量逐渐变小，其变化曲线趋于平缓，如图4所示。开采95m至100m左右时，煤壁支承应力为原始应力的4倍左右，达到最大值约35MPa，之后则呈现逐渐减小的趋势。图5为开采过程中底板主应力动态分布规律。通过图5可以看出，底板在切眼附近一定范围内形成应力集中，随着工作面的不断推进，集中应力逐渐增大，且开切眼下方底板对应位置的集中应力向采空区上方的对应位置有一定的延伸，即在开切眼和煤壁附近12m范围内形成弹塑性高应力区，此范围保护层的主应力最大，煤岩出现压剪破坏，形成裂隙通道，相对其他区域，由于此区域内煤层和采空区之间水头压力差最大，极易突水，造成事故。

图4　开采过程中煤壁支承压力动态分布规律

图5　开采过程中底板主应力动态分布规律

在这个应力变化的过程中，工作面推进方向上的底板岩层也按照应力的变化规律形成了分区分段的破坏特征。对比分析图4，图5曲线可以发现，随工作面推进，煤壁附近的底板支承压力迅速升高，使得底板岩层受到较大的集中荷载，底板主应力迅速升高，形成了底板的压缩区；随着工作面的推进，采空区底板卸荷膨胀，底板荷载陡降，形成了卸荷膨胀区，而膨胀区根据底板岩层的破坏区域的不同又可以分为卸荷膨胀平稳区和卸压膨胀陡变区，其中卸荷膨胀平稳区是由底板已形成的拉张破坏区域组成，卸压膨胀陡变区主要指底板的宏观裂缝与煤壁下的压减裂隙之间的区域；随着顶板的来压进程，顶板及其上覆岩层垮落形成的荷载作用在底板岩层上，使底板岩层再一次被压缩，重新形成压缩应力区，使膨胀区域变形恢复，形成变形恢复区。随工作面推进，底板岩层的所有点都经历了“压缩-应力解除-再压缩”的应力作用过程，在此过程中底板岩层的变形则经历了压缩、膨胀和变形恢复3个阶段(见图6)。

图6　底板破坏分区

2.4突水渗流规律

工作面推进过程中，底板岩层的渗透系数不断增大，在采动应力和承压水压力的联合作用下，承压水沿裂隙通道自高应力区向低应力区运移。分析图7曲线可以发现，在开采初期的0~60m范围内，在开切眼和煤壁附近水头压力梯度迅速升高，煤壁的集中应力得不到释放，其渗透能力较低，在采空区范围内，由于卸压膨胀作用，底板出现拉张裂隙和底鼓现象，渗透性较高，渗流量大。工作面推进到80~90m后，突水通道形成，水头压力梯度迅速降低，使渗流速度和突水量迅速增加，可得到突水点位置。

图7　开采过程中底板垂直方向流量分布

底板岩层在工作面开挖卸荷影响作用下，应力重分布，按工作面推进方向先后形成了应力升高区、应力解除区和应力恢复区，对应的底板岩层的变形可分为压缩区、膨胀区和变形恢复区。分析底板的应力变化状态、损伤区域特征和裂隙分布情况，考虑承压水压力、承压水渗流速度和突水量的变化特征，可对照图7中的底板的突水流量曲线分析底板压缩区、膨胀区和变形恢复区的突水特征：压缩区对应的是突水减量减速区，在此区域由于煤壁受到较大的支承压力作用，突水流量较小，速度较缓，根据突水量大小膨胀区可划分为突水量陡增区和突水量平稳增加区。其中突水量陡增区对应的是底板岩体的宏观裂缝到煤壁下方新产生的压剪裂隙之间的卸荷膨胀陡变区，工作面推进中岩体持续卸荷，裂隙发育迅速，渗流迅速增大，是突出危险区。突水量平稳增加区对应底板的拉张破坏带的卸荷膨胀平稳区，因为该区域卸荷充分，裂隙发育完整，突水流量平稳。由于卸荷膨胀区对后方变形恢复区岩体产生挤压变形及地应力的双重作用，使得该处岩体部分裂隙逐渐闭合，渗流量降低(图7中工作面推进到90m时底板流量曲线)，因此，变形恢复区对应的是突水流量缓降区。

3结论

(1)通过数值模拟分析可知，在采动应力和承压水压力联合作用下工作面底板发生损伤破坏，按照其应力变化的先后过程底板岩层的破坏可分为压缩区、卸荷膨胀区和变形恢复区，其中在底板压缩区与膨胀区的交界处，容易造成张剪破坏，使底板隔水层与含水层沟通，形成突水通道，承压水易突出，为突水危险区域。

(2)可按照底板破坏分区的物理力学特征划分底板的采动突水特征：压缩区对应的是突水减量减速区；膨胀区的卸荷膨胀平稳区对应着突水量平稳增加区；卸荷膨胀陡变区对应着突水量陡增区，此区域裂隙发育迅速，渗流增速快，是突出危险区；而变形恢复区对应的是突水流量缓降区。

(3)对工作面推进过程中底板不同破坏阶段的渗流范围和突水强度进行数值模拟分析，在实际工程中可以有效划分突水区域，以确定突水危险区域，对于防治突水具有一定的指导意义。

[参考文献]

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[责任编辑：张玉军]

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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

[作者简介]杨登峰(1985-)，男，山东菏泽人，博士研究生，主要从事矿山压力与支架-围岩关系方面的研究工作。

[基金项目]国家重点基础研究发展规划(973)项目(2013CB227903)；国家自然科学基金项目(51174208,U1361209)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.027

[收稿日期]2015-04-27

[中图分类号]TD742.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0101-04