張紅梅，翟曉榮，吳基文，沈書豪

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

深部煤層采動流固耦合效應(yīng)下陷落柱突水機(jī)理研究

張紅梅，翟曉榮，吳基文，沈書豪

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)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(jī)理，建立了陷落柱突水模型?；贔ISH對FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā)，研究流固耦合效應(yīng)下工作面推進(jìn)不同步距條件下，陷落柱破壞特征。結(jié)果表明：深部高地應(yīng)力及高承壓水耦合作用下，隨著工作面回采推進(jìn)，陷落柱產(chǎn)生側(cè)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(kuò)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(dāng)工作面推進(jìn)50m時(shí)，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(yīng)下，陷落柱突水的過程與機(jī)理。

深部采動；流固耦合；滲透系數(shù)；巖溶陷落柱；突水機(jī)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(zhì)構(gòu)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(zāi)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(dǎo)通陷落柱突水事故和淮北礦業(yè)集團(tuán)桃園煤礦1035工作面回采誘發(fā)陷落柱突水事故[7]。基于圍巖采動應(yīng)力變化和底板高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)流固耦合模型時(shí)，若滲透系數(shù)賦予固定值應(yīng)用于不同煤層開采的模型中，僅考慮孔隙水壓力隨采動應(yīng)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(jié)果將與實(shí)際情況不符。煤層回采過程中，圍巖應(yīng)力和滲透性不斷地發(fā)生變化，兩個(gè)變化是相互影響并疊加的，即產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)。

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(shí)現(xiàn)煤層開采過程中滲透力與采動應(yīng)力的相互影響，對煤層開采進(jìn)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(jī)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(gè)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(shí)的主要突水含水層?；幢钡V區(qū)的水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，下組煤開采時(shí)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(xué)模型

流固耦合FLAC3D模塊中，定義巖體為多孔介質(zhì)，流體在巖體中的流動滿足達(dá)西(Darcy)定律的基本條件，同時(shí)符合Biot流固耦合模型，表達(dá)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(biāo)和體積力；εν為體應(yīng)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(yīng)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(yīng)變對滲流場的反作用。公式(1)為流固耦合實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。

雖然上述方程可以表達(dá)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(jié)指出：煤礦采動時(shí)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(qiáng)。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(yīng)力變化而發(fā)生應(yīng)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(dāng)巖石為彈性階段時(shí)，隨著應(yīng)力的增加，巖石內(nèi)部的微裂隙被壓實(shí)，其滲透性減小；當(dāng)繼續(xù)受力，巖石達(dá)到屈服強(qiáng)度后，其應(yīng)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(gè)過程中巖石的應(yīng)力并沒有發(fā)生明顯的變化，但其應(yīng)變是不斷增加的，因此，用應(yīng)力-應(yīng)變表達(dá)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(dá)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(xué)中滲透系數(shù)的單位不同，兩者需要進(jìn)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(yīng)變增量和巖體的孔隙度。

公式(2)能夠?qū)崿F(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(dǎo)入FLAC3D軟件中，實(shí)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(jié)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(jì)資料，研究設(shè)計(jì)煤層采深-800m，底板水壓6MPa，模擬陷落柱采動演化特征。

設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行了加密處理，地質(zhì)模型見圖2。

圖2 地質(zhì)模型

模型的邊界條件：模型設(shè)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(shè)置為自由邊界，模型左右和前后邊界分別設(shè)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(shè)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(zhǔn)則和Mohr-Coulomb的塑性本構(gòu)模型計(jì)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(xué)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(xué)參數(shù)

3.2 流固耦合模擬結(jié)果分析

對工作面推進(jìn)不同步距條件下，陷落柱塑性演化特征進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3至圖7所示。

圖3 工作面推進(jìn)10m塑性破壞

圖4 工作面推進(jìn)20m塑性破壞

圖5 工作面推進(jìn)30m塑性破壞

圖6 工作面推進(jìn)40m塑性破壞

圖7 工作面推進(jìn)50m塑性破壞

對比推進(jìn)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(shí)，受到柱體內(nèi)承壓水壓力與采動應(yīng)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(cè)向塑性破壞區(qū)，寬度為4m，如圖3所示；當(dāng)工作面推進(jìn)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(shí)，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(cè)向塑性破壞區(qū)范圍擴(kuò)大至7m，如圖4所示；當(dāng)工作面推進(jìn)至初次來壓步距30m時(shí)，底板原位張裂帶范圍進(jìn)一步增大，同時(shí)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(shí)完整巖層寬度僅剩16m，如圖5所示；繼續(xù)推進(jìn)至40m時(shí)，工作面與陷落柱塑性區(qū)距離僅為6m，如圖6所示；當(dāng)工作面推進(jìn)50m時(shí)，陷落柱側(cè)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(shí)，形成了導(dǎo)水通道，陷落柱體內(nèi)承壓水可能沿著破壞通道進(jìn)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(jìn)，陷落柱側(cè)向塑性破壞區(qū)范圍逐步增大，突水危險(xiǎn)性也隨之增高。當(dāng)進(jìn)入深部開采后，底板在采動應(yīng)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(jìn)原位張裂區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大。工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，受高地應(yīng)力和高承壓水壓共同影響，陷落柱體外側(cè)的破壞區(qū)不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)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(cè)向塑性破壞帶；隨著推進(jìn)工作面超前裂縫帶與陷落柱側(cè)向塑性破壞帶寬度不斷擴(kuò)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(jìn)入采空區(qū)，導(dǎo)致工作面突水發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)基于FISH語言的二次開發(fā)，利用FLAC3D實(shí)現(xiàn)了采動過程中，底板采動應(yīng)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(yīng)力與承壓水壓力共同影響，形成側(cè)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(jìn)，工作面超前采動裂縫帶與陷落柱側(cè)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(jī)理。突水過程可概括為工作面超前采動裂隙與陷落柱側(cè)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(zé)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(xí)近平總書記、李克強(qiáng)總理關(guān)于安全生產(chǎn)工作重要指示批示精神，全面落實(shí)國務(wù)院安委會、國家安全監(jiān)管總局和遼寧省委政府關(guān)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(shí)間9～12月份，劃分為宣傳發(fā)動、活動實(shí)施和督促檢查3個(gè)階段。活動要求，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(jié)合實(shí)際，制定工作方案，細(xì)化措施、明確責(zé)任，以重大災(zāi)害治理、瓦斯防治為重點(diǎn)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(xué)基金面上項(xiàng)目(41572147)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41272278)；安徽高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目，礦山地質(zhì)災(zāi)害防治安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(KJ2016A826)

張紅梅(1982-)，女，安徽舒城人，講師，在讀博士，主要研究方向?yàn)槊旱V地質(zhì)與工程地質(zhì)。

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