煤礦巷道涌水的流固耦合機理分析

■魏新棟 原富珍

（中國礦業大學礦業工程學院江蘇徐州221116）

煤礦巷道涌水的流固耦合機理分析

■魏新棟 原富珍

（中國礦業大學礦業工程學院江蘇徐州221116）

隨著我國西北煤炭資源保水開采的發展，滲流—應力耦合問題已得到廣泛關注，文章基于流固耦合理論，建立了礦井巷道涌水的數學模型，并應用COMSOL Multiphysics有限元軟件對所建立的巷道圍巖區進行模擬，得出了滲流場和應力場的分布形式，為礦井的保水開采及涌水治理提供一定的參考。

滲流—應力耦合 巷道 涌水量 保水開采

隨著我國煤炭資源的進一步開采，以及“三下”開采技術的進一步提升。在富水區保水開采已逐漸成為采礦界的熱點問題，其中都要涉及到滲流—應力耦合問題。同時，在河流、水庫、湖泊等水體下開采作業，也不可避免的要受到水的影響，在地質條件差的施工段極易發生涌水事故，威脅生產人員的安全，大面積的涌水發生還會威脅礦井的安全。本文基于流固耦合理論建立礦井巷道上覆巖層中的滲流模型，并應用有限元軟件對某一工程實例進行分析。

1　滲流場和應力場耦合數學模型

根據Terzaghi有效應力原理，滲流介質的總應力滿足平衡方程：

式中:是有效應力張量；為總應力張量,為耦合系數

其物理方程和幾何方程分別為：

式中：λ、G為拉梅常數。

假設流體不可壓縮，則符合Darcy定律的巖體滲流控制方程為：

本文參考較為經典的滲透率模型，取：

2　滲流—應力耦合有限元模擬

2.1模型建立

所研究礦井模型為河流下的淺埋煤層。巷道上覆巖層及力學參數如表1所示。求解區域設置為長80m，高57m的矩形，取地下水的動力粘度。

2.2滲流場分析

在滲流場的模擬中假設在巷道開挖前圍巖處于飽和狀態，其初始條件為上邊界的孔隙水壓力為30kPa,下邊界的孔隙水壓力為588.6kPa。如圖1所示，巷道開挖前地層中孔隙水壓力的分布自上而下呈現出遞增的趨勢，且同一高度的孔隙水壓力值相等。巷道開挖后，由于水流在開挖區域的內邊界上為自由透水邊界，圍巖原始滲流場發生了改變。由圖2可以看出，在未采取注漿及支護等防護措施的情況下，巷道開挖后圍巖滲流場在巷道周圍形成了一個“壓力漏斗”區，其中頂板位置處圍巖的孔隙水壓力最小，由于頂板和邊墻位置處“壓力漏斗”現象最為明顯，所以在壓力差的作用下涌水主要發生在頂板及邊墻位置處。

圖1　開挖前水壓力分布圖

圖2　開挖后水壓力分布圖

2.3應力場分析

圍巖的應力場在巷道開挖后重新分布，巷道周邊圍巖在開挖后進行卸載而向巷道內自由變形。由圖3可以看出，開挖后巷道周圍出現了明顯的應力松弛現象，形成了一個應力低值區。其中巷道拱頂和拱底處都出現了拉應力，最大拉應力值為32kPa，分別位于巷道頂板中間位置的兩側。巷道邊墻位置為壓應力區，最大壓應力為90kPa。由于巷道圍巖在原始狀態或者由于開挖過程中施工對圍巖的完整性造成破壞，使巷道周圍存在破碎巖體，而由于巖石抗拉強度很低，當切向拉應力超過其抗拉強度時，拱頂處最容易發生局部破壞，從而影響到巷道斷面的整體穩定性，并有可能誘發大面積涌水事故的發生。圖4中總位移圖可以看出由于巷道的開挖導致圍巖整體的位移矢量在巷道周圍發生偏轉，巷道內壁向洞內發生了回彈。

圖3　第一主應力分布圖

3　結論

（1）對礦井巷道上覆巖層滲流場和應力場之間的耦合機理進行分析，建立了礦井巷道流固耦合情況下滲流場和應力場的數學模型。

圖4　總位移分布圖

（2）通過COMSOL Multiphysics有限元軟件對巷道上覆巖層滲流場和應力場進行數值模擬，得出了巷道頂板位置最容易發生涌水災害。

[1]王雙明,黃慶享,范立民,等.生態脆弱礦區含 (隔)水層特征及保水開采分區研究[J].煤炭學報,2010,01:7-14.

[2]師本強.陜北淺埋煤層礦區保水開采影響因素研究 [D].西安科技大學,2012.

[3]馬立強,張東升,劉玉德,等.薄基巖淺埋煤層保水開采技術研究 [J].湖南科技大學學報 (自然科學版),2008,01:1-5.

[4]杜敏銘,鄧英爾,許模.礦井涌水量預測方法綜述 [J].地質學報,2009,29(1):70-73.

P641.4+3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-474-2