断层参数对承压水体上采煤的影响分析

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1、水文地质工程地质2009年第6期断层参数对承压水体上采煤的影响分析张均锋，张华玲，孟达，张万淮，曾健勇，王东喜(1．中国科学院力学研究所，北京100080；2．河北金牛能源集团股份有限公司显德汪矿，邢台054107)摘要：根据流固耦合理论，采用有限元数值模拟的方法，针对承压水体上采煤过程中断层参数(断距、倾角)对煤层、围岩的应力、变形和水压力变化的影响进行了模拟分析，探讨了存在断层时突水的机理和可能的突水点位置，并定量分析了防水煤柱的预留距离。得出以下结论：(1)当存在正断层时，多发生断层破坏型突水，而底板破坏型

2、突水发生的几率较小；(2)突水性质和突水发生位置受断层断距和倾角的影响不大，煤层和采煤工作面附近的底板围岩都可能成为突水涌出点；(3)随着断层断距和倾角的增加，防水煤柱的合理留设距离应随之增大。以上结果可为实际矿井采煤防突水设计提供参考。关键词：断层；突水；流固耦合；采煤中图分类号：P641．461文献标识码：A文章编号：10003665(2009)06．0010．06断层广泛分布于矿井围岩中，是矿床充水和诱发而对突水进行了预测预报；冯启言等基于多孔介质采煤过程中突水的重要因素之一。对于断层存在时煤的应力与渗流耦

3、合理论，数值模拟了采动影响下完整层底板突水机理的研究，仅仅通过突水系数这种经验底板的破断失稳、裂隙扩展和突水过程，对底板易发生性判据对断层隔阻水能力进行评价是远远不够的。谭突水部位进行了预测。Wang等通过FLAC如的模拟志祥基于岩体极限平衡理论，分析了断层突水的力学分析，对采空区底板岩层破断突水机理进行了解释j。机制，并结合Mohr．Coulomb准则，给出了相应的突水理但这些研究往往是定性的理论结果，由于数值模拟中论判据。施龙青认为底板突水是岩体沿断裂面发生对模型做了较为严格的限定，使得定量结果在工程中滑动造

4、成的，并建立了断裂突水力学模型，对断裂影响的应用尚有差距。本文以河北某矿实际采煤为背景，下的底板突水机制进行了研究J。黎良杰等通过相似利用应力与渗流耦合模型，将断层存在形式、断距和倾材料模拟试验，分析了开采过程中采场围岩的变形及角等参数作为突水影响因素，通过数值模拟定量分析其破坏过程、应力变化规律，以及断层存在时的采场底这些因素在强耦合作用下对煤层围岩应力场及渗流场板突水机理。的影响，进一步深化对小构造影响下突水机理的认识、数值计算方面，王成绪利用有限元数值计算，从围确定突水的类型，分析可能发生的突水点位置，并定

5、量岩变形破坏特征角度，指出分析突水问题应将应力应确定采煤过程中防水煤柱的预留距离，为实际的采煤变与渗流相结合，且断层和陷落柱等也是考虑的因设计、生产进行突水预测与防治提供依据。素H；杨栋等采用双重介质模型方法，给出了承压水上1流固耦合作用的力学模型采煤的裂隙介质流固耦合数学模型及其数值模拟解法。谢兴华等数值模拟了工作面推进过程中，断1．1承压水在岩层中渗流层影响下的底板岩层变形破坏和渗流水头的变化，从假设各岩层为各向同性多孔介质，且岩层中地下水的运移方式为多孔介质中的渗流运动，并满足达西渗流定律。在稳态情况下，忽

6、略水的可压缩性，Darey收稿日期：2008．10。17；修订日期：2009一O1．13定律可表示为：基金项目：国家自然科学基金资助项目(10672167)；中国科学院知识创新工程领域前沿项目；河北金能集团2007，：(1)0年科技项目(3—07—007)式中：“，]方向的渗流速度(m／s)；作者简介：张均锋(1966一)，男，博士，高级工程师，主要从事煤矿安全和岩石力学方面的研究工作。K——渗透系数(m2／(Pa·S))；E．mail：zhangjf@imech．Eta．enp——孔隙水压力(Pa)。2009年

7、第6期水文地质工程地质．11．在质量守恒条件下，煤层围岩微段内承压水稳定一誓Ox．：一，+。a．(7)渗流的基本微分方程为：^2K：0(2)记，，，：，则式(7)可改写为：0a-1．2煤岩的弹塑性破坏准则一：一F+●F，(、8u)，U^’对于煤层围岩材料，同样假设各岩层和煤层均为式(8)即为考虑孔隙水压力在内的围岩应力平衡各向同性介质，本文采用弹塑性本构模型。在弹性阶微分方程。其中新增的体积力项F作为应力和渗流段，煤层围岩变形满足广义胡克定律：的耦合项，是孔隙水对围岩变形的作用，其仅和孑L隙水=e+2￡(3)压力

8、有关。式中：和——拉梅常数；当不考虑水压力变化引起的介质体积的变化时，——Kmnecker记号；渗透系数随应力的变化方程为¨：s——应变分量；K=Koexp[一(口一P)](9)e=i——体积应变。式中：K。——煤岩的初始渗透系数(m／s)；当煤岩材料进入塑性阶段，其屈服条件满足——耦合参数；Drucker—Prager准则：口——静水压力(Pa)。f：3aa+一k(4)