承压水上采煤的流固耦合数值模拟_李文敏

第28卷第2期2013年6月矿业工程研究Mineral EngineeringＲesearchVol．28No．2Jun．2013承压水上采煤的流固耦合数值模拟李文敏（安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001）摘要：采用某受承压水威胁工作面的具体工程地质资料，利用FLAC3D软件强大的流固耦合功能，建立该带压开采工作面的数值分析模型并进行流固耦合数值模拟．通过数值模拟，分析不同推进长度时煤层底板隔水层内岩体的位移、应力分布规律及含水层承压水在隔水层中的导升高度．数值模拟结合“下三带”理论，判断在承压水作用下，底板内是否存在完整隔水层，以判断工作面在采煤过程中是否会发生突水事故．对承压水上采煤的流耦合数值模拟具有一定的参考作用．关键词：流固耦合；带压开采；“下三带”理论；底板破坏特征中图分类号：TD74文献标识码：A文章编号：1674－5876（2013）02－0037－05煤层底板突水一直是困扰煤炭企业可持续发展的主要问题之一，随着开采深度的加大，这种水患越来越严重．为了实现煤矿的安全生产，在工程实践中常用的方法［1－5］有“下三带”法，“P－H”临界值法，突水系数法，经验公式法、“下四带”理论等．这些理论为现场实践做出了一定的贡献，但在某些特定条件下，以上理论研究，均在不同程度上受一定条件的限制，具有一定的局限性，进一步加深这些理论的研究具有重要的意义．例如对“下三带”法及“下四带”理论的研究过程中，关于承压水导升带的高度的确定是实测得到（即钻孔尚未达到含水层就有一定量的涌水，此时涌水点到含水层的距离即为导高带的厚度），这种方法有2个方面的弱点：（1）钻孔破坏完整含水层，容易形成导水通道，具有一定危险性．（2）钻孔尚未达到含水层就有一定的涌水量的岩层不一定就没有了隔水能力，方法过于保守．本文运用有限差分软件FLAC3D对承压水上采煤进行流固耦合数值模拟．分析煤层底板岩层在采动过程中的位移、应力变化规律及破坏特征．并利用FLAC3D数值模拟软件内置的FISH语言编程，描述含水层向隔水层浸入高度的演化规律，得出承压水导升带的高度．1工作面状况某矿可采面积约2．8km2，开采水平－535m，走向长壁（倾向长壁）综合机械化全部垮落法开采，开采煤层为山西组中部10煤，煤层厚约为1．5 5m，本文取上限5m，近水平煤层；底板下存在富含水性很强的奥陶灰岩，含水层承压水水压2．8 6MPa，本文取上限6MPa，工作面长度为150m，底板隔水层平均厚度为H=45m，无构造．根据实测的工程地质和水文地质资料，对相邻且较薄的地层进行合并，合并后工作面顶板及底板的主要参数如表1．2模型的建立及边界条件2．1数值模型整个计算区域划分为36000个单元40016个节点，根据现场地质条件并考虑边界的影响，在工作面走向方向取300m．为了消除边界效应，工作面两端各留73收稿日期：2013－03－04基金项目：国家自然科学基金资助项目（51074003，51074005）；国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目（51174255）；安徽省优秀青年科技基金资助项目（10040606Y31）；中国博士后科学基金资助项目（2011M501037）通信作者：李文敏（1988－），男，湖南衡阳人，助教，研究方向：采矿数值模拟．E－mail：mikeliwenmin@163．com表1工作面顶板及底板的主要力学参数Tab．1The major parameters of the model模型层位容重/（kg /m 3）弹性模量/MPa 泊松比单向抗压强度/MPa 单轴抗拉强度/MPa 内聚力/MPa 内摩擦角/（ʎ）渗透系数/（m /d ）孔隙率含水层260017450．3824．01．002．802910．50．20隔水层1276095000．2332．02．504．20380．50．10隔水层2256828700．3045．04．503．25330．50．15隔水层3265035240．3545．04．503．32340．40．10煤层140015000．368．00．031．00250．20．08直接顶268098000．1526．01．255．50380．40．06覆岩259022000．1313．50．753．00400．60．1150m 的煤柱，倾向300m．模型高度150m ，同时在垂直方向上，对岩性相近的岩层进行合并，模型共取6个岩层，各岩层按实际厚度选取．计算模型范围为200m ˑ300m ˑ50m 含水层厚度为30m．对煤层进行15次开挖，每次开挖10m．为提高运算速度的同时，保证计算精度，按区域来调整单元的疏密，数值模型如图1所示．图1承压水上采煤数值模型ig．1The calculation model of the confined water mining simulation2．2边界条件应力边界条件：模型的左右力学边界为固定水平移动，可以发生垂直方向的移动．底板力学边界为固定支承，固定各个方向的移动．顶部力学边界为自由边界．模型内初始地应力按岩体的自重应力计算，侧向应力乘以侧压系数0．45．流体边界：模型的左右前后为不透水边界．含水层顶部为压力水头边界，压力水头按照模拟要求设置，为了模拟符合含水层的富含水性，设置模型底部为透水边界，固定水头压力．含水层的初始饱和度设为1，含水层以上的岩层初始饱和度为0．地层假设为各向同性，均匀等效连续介质，各岩层的渗透系数换算为FLAC 3D 的迁移系数取K =1ˑ10－9m －2/（Pa ·s ）．初始运算设定：为了确保流固耦合的初始状态的平衡，先对模型进行力学计算，达到平衡后，同时打开力学计算与流体计算，对初始模型进行流固耦合平衡．然后再对工作面进行开挖，在开挖时同时打开力学计算与流体计算，在达到流力平衡后，再进行下一步的开挖．3数值模拟结果分析3．1煤层底板应力测量结果及其分析本模拟用随着工作面推进底板垂直应力的变化规律来分析开采长度对底板垂直应力的影响．因此，本数值模拟在煤层底板内，选取距离开切眼前方10，30，50，70，90m 位置处的5个有代表性的观测点，用于研究随着工作面推进其垂直应力的变化规律，7个代表性测点垂直应力变化曲线如图2．图2采过程中各测点垂直应力变化Fig．2The vertical stress of every point during the mining从图2可以看出，测点1位于开切眼前方10m 处，开始受压应力作用，处于原岩应力状态．随着开采的的进行压应力先增大，逐渐达到峰值．然后呈减小趋势，最大应力－29．872MPa ，当工作面回采40m 时，出现一个突变点，开始从拉应力变为压应力，说明这时候初次来压，上覆岩层垮落，将底板压实．继续回采测点1的应力每10 15m 出现一个小的突跳点，应力出现小的增加，这是受周期来压的影响，继续回采，测点183的应力趋于稳定最终为－11．4MPa．测点2位于开切眼前方30m，在工作面回采10m时出现应力集中，最大应力值为－18MPa，应力集中系数为1．44，随着工作面的回采，应力逐渐减少，工作面推进40m时，出现突变值，由受拉变为受压，之后应力减小并趋于稳定．测点3位于开切眼前方50m，在开采距离小于50m时．应力持续增加，开采到36m左右时，应力达到最大值为34MPa，应力集中系数为2．72，之后应力减小，在周期来压的影响下小波动趋于稳定．测点4位于开切眼前方70m处，工作面推进62m时，应力增加到最大32MPa，继续开采应力减小，并趋于稳定．测点5位于开切眼前方90m处，工作面推进81m时，应力达到最大值38MPa，应力集中系数为2．24．各个测点也可以看出，峰值压力出现在工作面前方8 10m处，过了峰值压力后，压力会突变减小，这个时候容易在出现剪切破坏．3．2底板位移场分析为了便于分析煤层开采过程中底板岩层应力变化规律，研究不同推进长度下底板垂直应力的分布规律．在y=150m截面处，当工作面分别推进20，30，40，50m时煤层底板垂直应力分布如图3所示．（a）工作面推进20m；（b）工作面推进30m；（c）工作面推进40m；（d）工作面推进50m图3工作面推进不同长度时底板垂直应力分布规律Fig．3The vertical stress of the floor in different mining length从图3可以看出：随着工作面的推进，工作面两端煤壁内垂直应力不断增大，在工作面推进20，30，40，50m时，最大支承应力分别为15，16，18，22MPa，最大支承应力均出现在煤壁前方10m左右的煤体内．随着工作面的推进，底板内垂直应力的卸压深度不断增加，工作面推进20，30，40，50m时，底板的卸压深度分别为15，24，33，40m．卸压范围也不断增大，不过均出现在开切眼后方20m到工作面前方20m的底板内．承压含水层内由于承压水孔隙压力的作用，垂直应力均比较大．3．3承压水导升高度的监测为了研究不同推进长度下，含水层内的承压水向隔水层导升高度的变化规律，本模拟在含水层上方的隔水层内，距离含水层每隔1m设立1个监测点，监测该点的孔隙水压力，最后得出承压水在隔水层内的导升高度，如图4．可以看出，工作面推进50，100，150，180m时，承压水导升高度分别为4，5，6，8m．说明随着工作面的93推进，承压水导升高度先会不断增加，超过一定推进长度后，就会趋于稳定．另外可以看出，距离含水层越近的监测点，孔隙水压力越大，这就形成一个水压差，一旦岩层渗透性发生变化，含水层内的水就会在水压差的作用下向上导升．图4不同推进长度下隔水层内孔隙水压力的分布规律Fig．4The water pressure law in different mining length3．4煤层底板的破坏特征在模型中部y =150m 处，截取切面，分别研究工作面推进50，100，150，180m 时，煤层底板的破坏特征，并对其进行分析．y =150m 处，工作面推进不同长度时，工作面周边塑性区范围如图5．从图5（a ）可以看出，当工作面推进50m 时，煤层底板出现拉剪复合破坏，煤壁附近以剪切破坏为主，开切眼附近以拉伸破坏为主．工作面推进50m 时，底板的破坏深度为24m．由图5（b ）和图5（c ）可知，工作面推进100m 及150m 时，底板的最大破坏深度分别为26，28m．而煤壁岩体内裂隙的产生．底板岩层出现分层破坏的现象，距离煤层15m 内的底板岩体以剪切破坏为主，15m 以下到24m 以内的岩体，以拉伸破坏为主，其原因为在矿山压力与承压水水压力共同作用下，底板岩体发生破坏，隔水层内岩体受到前方支承压力水平方向的挤压与承压水水压力垂直方向上压力，以底板岩体为梁的模型进行分析，底板岩体向采空区内弯曲，受到拉伸作用，当超过了底板最大抗拉强度后，发生拉伸破坏，由于岩体的内聚力普遍强于岩体的抗拉强度，所以岩体要向采空区内鼓出，必须要克服内聚力做功，因此采空区中部破坏岩体的破坏形式为浅部岩体为剪切破坏，深部岩体受拉伸破坏．而对于软岩抗拉强度甚至高于其内聚力，因此当软岩为直接底时，底板破坏没有分层现象．含水层正上方的隔水层，由于孔隙压力的作用，使得岩层发生拉伸破坏，岩层的破坏，导致承压水导升．随着工作面的推进，含水层正上方破坏高度越大，在工作面推进180m 时，破坏高度达8m ，正好与承压水导升高度相等．（a ）工作面推进50m 时工作面周边塑性区分布；（b ）工作面推进100m 时工作面周边塑性区分布；（c ）工作面推进150m 时工作面周边塑性区分布图5工作面推进不同长度时煤层底板的破坏特征Fig．5The floor damage law in different mining length3．5“下三带”理论进行突水判断根据数值模拟结果可知，底板最大破坏深度为28m ，承压水导升高度为8m．且已知隔水层厚度为45m ，可以判断底板隔水层存在9m 的完整隔水层，故该工作面在采煤过程中不会发生突水事故．44结论1）承压水导升带的高度为6m．在y=150m处，截取剖面，分析工作面推进不同长度时，煤层底板的最大破坏深度，得出结果为32m．2）可以判断该工作面在采煤过程中不会发生底板突水事故．参考文献：［1］徐永圻．采矿学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1999．XU Yongxi．Mining［M］．Xuzhou：China University of Mining And Technology Press，1999．［2］虎维岳，朱开鹏，黄选明．非均布高压水对采煤工作面底板隔水层破坏特性及其突水条件研究［J］．煤炭学报，2010，35（7）：1110－1114．HU Weiyue，ZHU Kaipeng，Huang Xuanming．Study on floor rock mass failure and water inrush caused by 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coupling numerical simulation．Key words：fluid－solid coupling；confined water coal mining；the three zones theory；damage law14。