應力與滲流耦合下煤層開采覆巖破壞研究

梁世偉

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應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值模擬，得出了工作面上覆巖層的應力、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律。孔隙水壓力分布規律是采動應力與滲流耦合作用下煤層覆巖破壞的重用表現，因此，通過對孔隙水壓力分布規律的研究來分析應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；應力與滲流耦合；計算機數值模擬；覆巖破壞

引言

近些年，隨著西部大開發的逐步深入，西部地區的煤炭資源開采量巨大，其中包含大部分煤田的生態環境脆弱地區破壞較為嚴重，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環境保護相協調的開采方式，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，滲流作用對采動應力的影響較大，從而影響覆巖破壞規律[2-4]。

由于滲流作用對煤層開采覆巖破壞的重要性，所以大批學者對應力與滲流耦合下的覆巖破壞進行研究，總結了眾多其分析方法[5-10]，如實驗室相似材料物理模擬，計算機數值模擬，礦山現場實測等手段，各種分析方法都有其優缺點，其中計算機數值模擬是近些年發展起來的，它具有分析靈活，使用方便的特點，使其迅速廣泛的應用。本數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力、位移的變化規律進行分析。

1. 建立應力與滲流耦合模型

1.1 某煤礦20201工作面地質概況

20201工作面屬于2-2煤層，該煤層是屬于全區可采；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，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）。整個煤層東部及南部薄，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，規律明顯。

煤層厚度為1.03～2.67m，平均厚度為2m，變異系數0.22，賦存區面積可采率為96.1%；該煤層結構單一，一般不含夾矸。巖性為細粒砂巖、炭質泥巖、和粉砂巖。從煤層底板形態看，該煤層在平面上變化趨勢很有規律，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，富水性中等，據以往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6.47m/d。

1.2 模型的建立

依據20201工作面的地質特征，通過礦山現場取巖芯，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，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：

表1-1 20201工作面覆巖的巖石物理力學性質

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進行全面分析。模型的邊界條件設置如下：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. 數值模擬結果分析

2.1 應力變化分析

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

圖2-1 工作面推進100m時豎向應力云圖

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生變化，從整體表現來看，大致可以分五個區域：塑性變形區、彈性變形區、拉張破環區、局部拉張區、拉張裂隙區，各區具有各自的位移變化特點。覆巖破壞主要受采空區上方的塑性區分布以及煤壁上方的塑性區分布影響。

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，采動應力使得上覆巖層的滲透性發生了變化，滲透性的變化又反應孔隙裂隙的變化特征，進而影響覆巖破壞的規律。孔隙水壓力的變化是應力與滲流耦合作用的結果。隨著工作面的推進，工作面的兩個端頭的應力最為集中，影響最大，孔隙水壓力值也是最大，首先出現裂隙，工作面繼續推進，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覆巖破壞的規律。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. 結論

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

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

3.3應用計算機數值模擬來研究應力與滲流耦合下的覆巖破壞規律對實踐工作具有指導意義，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:礦井水害發生機理與防治。

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1009-4601（2017）06-0138-06