基于流态转换理论巷道前伏溶洞突水的流固耦合_强度折减法分析_赵延林

SOLID-FLUID COUPLING-STRENGTH REDUCTION METHOD FOR KARST CAVE WATER INRUSH BEFORE ROADWAY BASED ON FLOW STATE CONVERSION THEORY
ZHAO Yanlin1
，2，3
， ZHANG Shengguo1 2，WAN Wen1 2，WANG Weijun1 2，CAI Lu1 2，PENG Qingyang(1. School of Energy and Safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan 411201，China； 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines， Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan 411201，China)
[1，3-4]
。南方煤矿岩溶发
育和分布具有不均匀性，岩溶发育部位是矿井突水 的重大隐患。由于揭露岩溶通道的组成部分、构造 富水带或岩溶水压击穿岩层而产生岩溶突水、突泥 灾害。作为南方煤矿水害事故之一的岩溶突水的突 发性造成了巨大经济损失，如 2003 年湖南涟源市七 当巷道前伏承压溶洞时，采动应力诱发围岩应 力场与渗流场急剧变化，在溶洞与工作面之间的围
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承压溶洞突水的流–固耦合机制
• 1854 •
岩石力学与工程学报
2014 年
岩部位将会显现应力场和渗流场的强耦合效应。 2.1 承压溶洞突水的防水岩柱弹塑性分析 应力场与渗流场耦合作用下岩体的弹塑性力学 本构关系
[13-14]
当防水岩柱弹塑性计算不收敛时，防水岩柱失 稳，溶洞水体向巷道突出，用管道流模型来研究突 出水体的流动规律。 非线性管道流的 Darcy-Weisbach 方程为
Abstract：With the introduction of the equivalent hydraulic conductivity of pipe flow for the water inrush of confined karst cave，a nonlinear model of coupled seepage-pipe flows was established to simulate the entire process of water inrush. The model was combined with the strength reduction method and solid mechanics to study the change of flow state of water inrush of confined karst cave. The instability of water blocking rock pillar and the water inrush occurred at Qiyi mine in south China were discussed. The water discharge from the working
我国南方煤田为华南晚二叠世煤田，属于喀斯 特水文地质类型。南方煤层基底茅口灰岩的含水性 强弱具有明显的空间分布不均一性、各向异性、层 选性，在茅口灰岩的不同水文分层中，其含水性差 别极大，不能将茅口灰岩视为一个均质的含水体。 虽然北方奥陶灰岩和南方茅口灰岩同属含水层，但 二者之间具有较大的差异。北方奥陶灰岩层为岩溶 裂隙含水层，岩溶裂隙分布范围广，相互之间具有 联通性，属统一的承压含水体，一旦揭露，则可能 造成含水层大范围的水位降低而发生重大突水事 故。而南方地区特别是重庆南桐、松藻以及贵州黔 北地区的茅口灰岩层属山区岩溶水，以充水溶洞为 主，各溶洞之间在横向上水力联系微弱，具有相对 的独立性，不形成统一的含水系统，即便揭穿岩溶 管道，也不会导致含水层水位的大幅降低[1-2]。对于 南方煤层基底茅口灰岩，既要认识到其属含水层， 易发生水害事故，又认识到岩溶发育空间分布的不 均匀性， 茅口灰岩层是可以采取科学利用的。 目前， 南方煤矿许多矿井在茅口灰岩层内开拓巷道，如南 桐公司贵州新井五矿、川南煤业石屏一矿、重庆松 藻、石壕煤矿、湖南煤炭坝、四川华蓥山矿区等都 将巷道布置在茅口灰岩层中
收稿日期：2014–04–28；修回日期：2014–05–27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274097)；湖南省教育厅资助科研项目(13A020)；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研 究基金资助项目(13KF03) 作者简介：赵延林(1973–)，男，博士，1998 年毕业于湖南城市学院土木工程专业，现任副教授，主要从事岩体渗流力学方面的研究工作。E-mail： yanlin_8@ DOI：10.13722/ki.jrme.2014.09.016
第 33 卷 第 9 期 2014 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.33 No.9 Sept.，2014
基于流态转换理论巷道前伏溶洞突水的 流固耦合–强度折减法分析
赵延林 1
，2，3
，张盛国 1 2，万
为
ij，j Fi ( p)，j 0
(1)
式中： ( p )，j 为渗透水力梯度作为等效体积力作用 于岩体骨架，反映了渗流场对应力场的耦合作用；
第 33 卷
第9期
赵延林等：基于流态转换理论巷道前伏溶洞突水的流固耦合–强度折减法分析
• 1853 •
front increased with the increasing of the reduction factor of the strength of the water block rock pillar before the rock pillar losing its stability. After the failure of the rock pillar，water burst out from the confined karst cave to form pipe flow. The amount of the water irrupted reached the peak value in a short time then decreased slowly according to the simulation. The turbulent flow at the initial stage was changed into the laminar pipe flow finally due to the limited water reserve of the karst cave. The safety factor of water blocking rock pillar was introduced and the relations of the safety factor，the water pressure in the karst cave and the thickness of the water blocking rock pillar were studied. The thickness of the water blocking rock pillar with the safety factor of 1.5 was proposed to be the calculated safety thickness. The safety thickness of the water blocking rock pillar was proposed to be equal to the sum of the depth of blasting hole，the depth of blasting disturbance and the calculated safety thickness. Key words：rock mechanics；karst cave water inrush；water blocking rock pillar；solid-fluid coupling；shear strength reduction method 一煤矿石坝井的“4・16” 特大突水灾害(17 人遇
，
文 1 2，王卫军 1 2，蔡
， ，
璐 1 2，彭青阳 1
，
，2
(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 3. 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)
摘要：引入承压溶洞突水的管道流折算渗透系数，构建耦合非线性渗流–管道流于一体的承压溶洞突水全过程分 析模型，在此基础上建立巷道前伏溶洞突水过程的流固耦合–强度折减法联动分析方法，研究承压溶洞突水全过 程的流态转换机制。以七一煤矿石坝井承压溶洞突水事故为例，探讨防水岩柱的力学失稳机制和突水演化过程。 研究表明：防水岩柱失稳前岩溶水非线性渗流，随着岩柱折减系数的增加，工作面渗水量增大，防水岩柱失稳后， 溶洞水体突出，涌入巷道形成管道流。采用管道流模拟得到突水量在较短时间内达到峰值，由于溶洞水体储量供 给约束，突水量逐渐减少，由突水初期的粗糙紊流最终变为管道层流。引入防水岩柱安全系数的概念，研究防水 岩柱安全系数与溶洞内压、岩柱厚度的关系，将安全系数为 1.5 的岩柱厚度作为防水岩柱的计算安全厚度，提出 防水岩柱工程留设厚度等于炮眼深度、爆破扰动深度和防水岩柱计算安全厚度之和的设计方法。将岩体流–固耦 合理论、流态转换理论和强度折减法结合起来研究承压溶洞突水的非线性力学响应，为研究承压溶洞突水全过程 提供了一种新的研究方法。 关键词：岩石力学；溶洞突水；防水岩柱；流固耦合；强度折减法 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)09–1852–11
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引
言
难)、2010 年湖南张家界市鑫茂煤矿“9・28”溶洞 透水事故、2004 年贵州思南县天池煤矿“12・12” 特大透水事故(21 人死亡，15 人失踪)，都是晚二叠 系茅口灰岩内高承压溶洞水体突破岩层引起的突水 事故。 对于岩溶突水的研究，主要集中在岩溶水运动 特征及突水量预测研究[5-6]、岩溶成因研究[6-8]、预 测预报研究[9-10]及岩溶突水工程个案的分析上[11]。 目前岩溶突水的力学机制研究主要针对岩溶隧道， 而对于岩溶矿井在采掘过程中由于溶洞承压水击穿 岩柱而产生工作面溶洞突水的力学机制和突水过程 的分析研究甚少。在岩溶矿井，一般通过布置探放 水钻孔来探放溶洞水，通过防水岩柱的留设来防治 溶洞突水。而针对承压溶洞防水岩柱留设的安全厚 度计算方法， 《煤矿防治水规定》 [12]( 简称为规定 ) 没有具体给出。进行承压溶洞防水岩柱的稳定性及 安全厚度研究，对于防治矿井岩溶突水具有重要意 义。 本文从岩石力学和渗流力学出发，采用流–固 耦合分析方法，探讨巷道前伏承压溶洞防水岩柱在 采动应力和高水力梯度作用下的流–固耦合效应， 通过引入流固耦合–强度折减法联动分析方法，研 究承压溶洞渗水、涌水、突水全过程的流–固耦合 机制，为合理设计和预留防水岩柱提供理论依据。