梁世偉

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應(yīng)力與滲流耦合下煤層開采覆巖破壞研究

梁世偉

（西安科技大學高新學院采礦工程系 陜西 西安 710000）

在分析陜西某煤礦20201工作面上覆巖層的地質(zhì)特征的前提下，利用國際巖土工程學界十分推崇的有限差分程序（FLAC）建立了采動巖體的應(yīng)力與滲流耦合模型，對采動引起的上覆巖層的破壞進行了計算機數(shù)值模擬，得出了工作面上覆巖層的應(yīng)力、位移的變化特征，同時，在上覆含水層水壓的作用下，得出了隨著工作面的推進的覆巖孔隙水壓力分布規(guī)律?？紫端畨毫Ψ植家?guī)律是采動應(yīng)力與滲流耦合作用下煤層覆巖破壞的重用表現(xiàn)，因此，通過對孔隙水壓力分布規(guī)律的研究來分析應(yīng)力與滲流耦合下的覆巖破壞更具有積極的理論與實踐意義。

采動覆巖；應(yīng)力與滲流耦合；計算機數(shù)值模擬；覆巖破壞

引言

近些年，隨著西部大開發(fā)的逐步深入，西部地區(qū)的煤炭資源開采量巨大，其中包含大部分煤田的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)破壞較為嚴重，尤其是由于采動損害所造成的水資源流失更為嚴重，因此錢鳴高等學者大力倡導(dǎo)煤炭綠色開采[1]，不能像以前那樣粗放式的開采，而是煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的開采方式，這里有一個重要的子課題就是保水開采，因此，具有上覆含水層的煤層開采覆巖破壞就顯得尤為重要，以往分析覆巖破壞會忽略上覆含水層水壓的作用，但是在實際作用中，滲流作用對采動應(yīng)力的影響較大，從而影響覆巖破壞規(guī)律[2-4]。

由于滲流作用對煤層開采覆巖破壞的重要性，所以大批學者對應(yīng)力與滲流耦合下的覆巖破壞進行研究，總結(jié)了眾多其分析方法[5-10]，如實驗室相似材料物理模擬，計算機數(shù)值模擬，礦山現(xiàn)場實測等手段，各種分析方法都有其優(yōu)缺點，其中計算機數(shù)值模擬是近些年發(fā)展起來的，它具有分析靈活，使用方便的特點，使其迅速廣泛的應(yīng)用。本數(shù)值模擬采用的是有限差分程序FLAC對采場覆巖進行分析，對覆巖隨著工作面的推進過程中的應(yīng)力、位移的變化規(guī)律進行分析。

1. 建立應(yīng)力與滲流耦合模型

1.1 某煤礦20201工作面地質(zhì)概況

20201工作面屬于2-2煤層，該煤層是屬于全區(qū)可采；在井田北部遭受后期剝蝕出露，沿露頭自燃形成帶狀自燃區(qū)，在煤層的東南部遭受沖刷剝蝕，煤層的可采面積約15.39km2（不含采空區(qū)）。整個煤層?xùn)|部及南部薄，西北部厚的分布特點，基本呈由西北向東南逐漸變薄之趨勢，規(guī)律明顯。

煤層厚度為1.03～2.67m，平均厚度為2m，變異系數(shù)0.22，賦存區(qū)面積可采率為96.1%；該煤層結(jié)構(gòu)單一，一般不含夾矸。巖性為細粒砂巖、炭質(zhì)泥巖、和粉砂巖。從煤層底板形態(tài)看，該煤層在平面上變化趨勢很有規(guī)律，形成了自南向北緩緩西傾的單斜層，煤層傾角呈近水平。煤礦南緣的地下水屬潛水，該地段由于基巖的風化，屬于溝流的潛流區(qū)，富水性中等，據(jù)以往S6號鉆孔抽水試驗，最大涌水量2.779l/s，平均單位涌水量0.1735l/s.m，滲透系數(shù)6.47m/d。

1.2 模型的建立

依據(jù)20201工作面的地質(zhì)特征，通過礦山現(xiàn)場取巖芯，對其進行實驗室的測試，充分的掌握巖體材料的力學特性。通過實驗室的力學測試得出了巖體的抗壓強度、抗拉強度等參數(shù)，這樣為模型的標準化建立提供了條件。表1-1說明各個巖層的力學性質(zhì)：

表1-1 20201工作面覆巖的巖石物理力學性質(zhì)

Table 1-1 20201 rock physical and mechanical properties of overlying rock strata

通過以上巖體材料力學性質(zhì)的說明，可以利用有限差分程序FLAC對其進行建模，模型的范圍為：部分煤層底板，開采煤層，和上部全部覆巖，共149.1m，模型的左右邊界是自開切眼與收作線各向外擴展100m為準，這樣就可以對上覆巖層的破環(huán)進行全面分析。模型的邊界條件設(shè)置如下：模型右、左邊界取u=0,v=0（v為y軸方向位移，u為x軸方向位移），即單約束邊界；在模型的底部邊界取u=v=0,為全約束邊界；模型上部邊界為地表面，不作任何約束，視為自由邊界。另外，模型的頂部加100m的固定水頭，視為恒定水源。以上述依據(jù)建立力學計算模型如下圖1-1所示。

圖1-1 力學計算模型

FIG. 1-1 mechanical calculation model

2. 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力變化分析

計算機數(shù)值模擬對應(yīng)力分析是全面的，能夠分析隨著工作面的推進，上覆巖層的應(yīng)力變化規(guī)律及分布特點。本次模擬工作面連續(xù)推進200m，如圖2-1、2-2、2-3所示，分別表示覆巖豎向應(yīng)力分布云圖，從云圖上分析可得：隨著工作面的不斷推進，上覆巖層經(jīng)歷了變形-離層-失穩(wěn)的過程，相應(yīng)的應(yīng)力也隨之變化，首先豎向應(yīng)力的方向在逐漸偏轉(zhuǎn)，由兩側(cè)向采空區(qū)中央偏轉(zhuǎn)，由于方向的變化，整個應(yīng)力場呈現(xiàn)分異現(xiàn)象，按應(yīng)力的性質(zhì)可以使云圖劃分三個區(qū)：在煤柱兩側(cè)由于是支撐力，表現(xiàn)為受壓區(qū)；采空區(qū)上方由于是失去了煤層的支撐，呈現(xiàn)受拉的趨勢；遠離采空區(qū)的位置，由于受到冒落矸石的支撐，呈現(xiàn)壓應(yīng)力的表現(xiàn)，但是數(shù)值較小，接近原巖應(yīng)力；此趨勢隨著工作面逐漸向前推進，也在不斷的前移。在應(yīng)力分布整體表現(xiàn)來看，形成了以開切眼與工作面、工作面的兩側(cè)巷道為四點支撐的應(yīng)力拱，形成的應(yīng)力拱不斷前移變化。

圖2-1 工作面推進100m時豎向應(yīng)力云圖

Figure 2-1 working face advancing 100 m when the vertical stress nephogram

圖2-2 工作面推進150m時豎向應(yīng)力云圖

Figure 2-2 working face advancing 150 m when the vertical stress nephogram

圖2-3 工作面推進200m時豎向應(yīng)力云圖

Figure 2-3 working face advancing 200 m when the vertical stress nephogram

2.2 位移變化分析

煤層開采的覆巖破壞充分的反應(yīng)在位移的變化上，如圖2-4、2-5、2-6所示，從豎向位移云圖分析得知：隨著工作面的向前推進，上覆巖層的位移也在不斷發(fā)生變化，從整體表現(xiàn)來看，大致可以分五個區(qū)域：塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)、拉張破環(huán)區(qū)、局部拉張區(qū)、拉張裂隙區(qū)，各區(qū)具有各自的位移變化特點。覆巖破壞主要受采空區(qū)上方的塑性區(qū)分布以及煤壁上方的塑性區(qū)分布影響。

圖2-4 工作面推進100m時豎向位移云圖

Figure 2-4 working face advancing 100 m vertical displacement contours

圖2-5 工作面推進150m時豎向位移云圖

Figure 2-5 working face advancing 150 m vertical displacement contours

圖2-6 工作面推進200m時豎向位移云圖

Figure 2-6 working face advancing 200 m vertical displacement contours

2.3 應(yīng)力與滲流耦合下的孔隙水壓力分析

在煤層采動的過程中，采動應(yīng)力使得上覆巖層的滲透性發(fā)生了變化，滲透性的變化又反應(yīng)孔隙裂隙的變化特征，進而影響覆巖破壞的規(guī)律?？紫端畨毫Φ淖兓菓?yīng)力與滲流耦合作用的結(jié)果。隨著工作面的推進，工作面的兩個端頭的應(yīng)力最為集中，影響最大，孔隙水壓力值也是最大，首先出現(xiàn)裂隙，工作面繼續(xù)推進，孔隙水壓力在逐漸減小，這反映上覆巖層的裂隙閉合，所以孔隙水壓力的變化直接反應(yīng)覆巖破壞的規(guī)律。圖2-7、2-8、2-9就是隨著工作面的推進距離的變化而呈現(xiàn)出不同的孔隙水壓力分布。

圖2-7 工作面推進100m時覆巖孔隙水壓力云圖

Figure 2-7 working face advancing 100 m strata pore water pressure contours

圖2-8 工作面推進150m時覆巖孔隙水壓力云圖

Figure 2-8 working face advancing 150 m strata pore water pressure contours

圖2-9 工作面推進200m時覆巖孔隙水壓力云圖

Figure 2-9 working face advancing 200 m strata pore water pressure contours

3. 結(jié)論

3.1依據(jù)實際情況，通過FLAC建立了應(yīng)力與滲流耦合模型，在20201工作面隨著推進距離的不斷加大的過程中，得出上覆巖層的應(yīng)力，位移的變化規(guī)律，為保水開采提供了理論依據(jù)。

3.2在應(yīng)力與滲流耦合作用下，孔隙水壓力的變化規(guī)律真實反應(yīng)覆巖破壞的基本特征，為研究覆巖覆巖破壞規(guī)律提供依據(jù)，從而優(yōu)化采煤工藝。

3.3應(yīng)用計算機數(shù)值模擬來研究應(yīng)力與滲流耦合下的覆巖破壞規(guī)律對實踐工作具有指導(dǎo)意義，為科研工作者提供了又一解決問題的方法。

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責任編輯：烏曉梅

2017-08-09

梁世偉（1987-），男，漢族，西安科技大學高新學院，講師。研究方向:礦井水害發(fā)生機理與防治。

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1009-4601（2017）06-0138-06