煤矿巷道涌水的流固耦合机理分析

2016-08-23魏新栋原富珍

地球 2016年7期

关键词：保水应力场渗流

■魏新栋原富珍

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

煤矿巷道涌水的流固耦合机理分析

■魏新栋原富珍

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

随着我国西北煤炭资源保水开采的发展，渗流—应力耦合问题已得到广泛关注，文章基于流固耦合理论，建立了矿井巷道涌水的数学模型，并应用COMSOL Multiphysics有限元软件对所建立的巷道围岩区进行模拟，得出了渗流场和应力场的分布形式，为矿井的保水开采及涌水治理提供一定的参考。

渗流—应力耦合巷道涌水量保水开采

随着我国煤炭资源的进一步开采，以及“三下”开采技术的进一步提升。在富水区保水开采已逐渐成为采矿界的热点问题，其中都要涉及到渗流—应力耦合问题。同时，在河流、水库、湖泊等水体下开采作业，也不可避免的要受到水的影响，在地质条件差的施工段极易发生涌水事故，威胁生产人员的安全，大面积的涌水发生还会威胁矿井的安全。本文基于流固耦合理论建立矿井巷道上覆岩层中的渗流模型，并应用有限元软件对某一工程实例进行分析。

1　渗流场和应力场耦合数学模型

根据Terzaghi有效应力原理，渗流介质的总应力满足平衡方程：

式中:是有效应力张量；为总应力张量,为耦合系数

其物理方程和几何方程分别为：

式中：λ、G为拉梅常数。

假设流体不可压缩，则符合Darcy定律的岩体渗流控制方程为：

本文参考较为经典的渗透率模型，取：

2　渗流—应力耦合有限元模拟

2.1模型建立

所研究矿井模型为河流下的浅埋煤层。巷道上覆岩层及力学参数如表1所示。求解区域设置为长80m，高57m的矩形，取地下水的动力粘度。

2.2渗流场分析

在渗流场的模拟中假设在巷道开挖前围岩处于饱和状态，其初始条件为上边界的孔隙水压力为30kPa,下边界的孔隙水压力为588.6kPa。如图1所示，巷道开挖前地层中孔隙水压力的分布自上而下呈现出递增的趋势，且同一高度的孔隙水压力值相等。巷道开挖后，由于水流在开挖区域的内边界上为自由透水边界，围岩原始渗流场发生了改变。由图2可以看出，在未采取注浆及支护等防护措施的情况下，巷道开挖后围岩渗流场在巷道周围形成了一个“压力漏斗”区，其中顶板位置处围岩的孔隙水压力最小，由于顶板和边墙位置处“压力漏斗”现象最为明显，所以在压力差的作用下涌水主要发生在顶板及边墙位置处。

图1　开挖前水压力分布图

图2　开挖后水压力分布图

2.3应力场分析

围岩的应力场在巷道开挖后重新分布，巷道周边围岩在开挖后进行卸载而向巷道内自由变形。由图3可以看出，开挖后巷道周围出现了明显的应力松弛现象，形成了一个应力低值区。其中巷道拱顶和拱底处都出现了拉应力，最大拉应力值为32kPa，分别位于巷道顶板中间位置的两侧。巷道边墙位置为压应力区，最大压应力为90kPa。由于巷道围岩在原始状态或者由于开挖过程中施工对围岩的完整性造成破坏，使巷道周围存在破碎岩体，而由于岩石抗拉强度很低，当切向拉应力超过其抗拉强度时，拱顶处最容易发生局部破坏，从而影响到巷道断面的整体稳定性，并有可能诱发大面积涌水事故的发生。图4中总位移图可以看出由于巷道的开挖导致围岩整体的位移矢量在巷道周围发生偏转，巷道内壁向洞内发生了回弹。