深部煤层采动流固耦合效应下陷落柱突水机理研究

张红梅，翟晓荣，吴基文，沈书豪

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

深部煤层采动流固耦合效应下陷落柱突水机理研究

张红梅，翟晓荣，吴基文，沈书豪

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

以淮北矿区下组煤开采为例，研究煤层深部开采扰动诱发陷落柱突水机理，建立了陷落柱突水模型。基于FISH对FLAC3D进行二次开发，研究流固耦合效应下工作面推进不同步距条件下，陷落柱破坏特征。结果表明：深部高地应力及高承压水耦合作用下，随着工作面回采推进，陷落柱产生侧向塑性破坏。在采动影响下塑性破坏区范围不断地向外扩展，工作面前方的裂缝带与陷落柱塑性破坏区之间的完整岩层宽度在不断地减小，当工作面推进50m时，距陷落柱30m处二者相连通，形成突水通道，诱发陷落柱突水。研究揭示了矿井深部煤层采动流固耦合效应下，陷落柱突水的过程与机理。

深部采动；流固耦合；渗透系数；岩溶陷落柱；突水机理

岩溶陷落柱广泛地分布于华北煤田和两淮等矿区，是我国石炭二叠系赋煤地层中一种特殊的地质构造体[1-2]，其突水的滞后及其后的突发性，以及突水水量大给矿区安全生产带来巨大威胁。近年来，随着我国煤矿开采深度的普遍加深，矿井底板突水次数及其造成的危害不断加剧。其中，由采动引起的陷落柱突水，是造成淹井等重大灾难事故的最主要原因之一[3-6]。淮北矿区曾多次发生陷落柱突水事故，造成了巨大的损失，如皖北矿区任楼煤矿7222工作面采动导通陷落柱突水事故和淮北矿业集团桃园煤矿1035工作面回采诱发陷落柱突水事故[7]。基于围岩采动应力变化和底板高强度水压渗流耦合作用下，采用FLAC3D模拟陷落柱底板突水，成果颇多[8-14]。在实现流固耦合模型时，若渗透系数赋予固定值应用于不同煤层开采的模型中，仅考虑孔隙水压力随采动应力的变化而变化，而不考虑煤层开采过程中围岩的渗透性变化，研究结果将与实际情况不符。煤层回采过程中，围岩应力和渗透性不断地发生变化，两个变化是相互影响并叠加的，即产生流固耦合效应。

本文以淮北煤田下组煤为研究对象，基于FLAC3D软件的FISH语言的二次开发功能，实现煤层开采过程中渗透力与采动应力的相互影响，对煤层开采进行流固耦合模拟分析，揭示深部开采条件下煤层采动诱发陷落柱突水的流固耦合机理。

1 研究区地层

淮北矿区位于华北煤田的南缘，主要含煤地层(组)是二叠系的下石盒子组和山西组，其中山西组煤层在宿北断裂以南为10号煤，宿北断裂以北为6号煤，为淮北矿区下组煤，见图1所示。

图1 研究区煤系地层柱状

淮北矿区主要有4个含水层，分别为新生界松散层孔隙含水层、煤系砂岩裂隙含水层、太原组灰岩岩溶承压含水层和奥陶系灰岩含水层。其中，下组煤距太原组岩溶含水层一灰顶的距离为43.76～70m，是淮北矿区开采下组煤6(10)号煤时的主要突水含水层。淮北矿区的水文地质条件较为复杂，下组煤开采时均受到其下伏太原组灰岩水甚至奥陶系灰岩水的威胁。

2 流固耦合数学模型

流固耦合FLAC3D模块中，定义岩体为多孔介质，流体在岩体中的流动满足达西(Darcy)定律的基本条件，同时符合Biot流固耦合模型，表达式为：

(1)

式中，G和λ均为Lame常数，uj，xj，fxj分别为j向的位移、坐标和体积力；εν为体应变；P为孔隙水水压；∂p/∂xj为流体流动过程中产生的渗透场，其影响了岩石的有效应力，并致使围岩产生变形；K为渗透系数，表征固体骨架体的应变对渗流场的反作用。公式(1)为流固耦合实现的数学模型。

虽然上述方程可以表达渗透力与骨架变形的相互影响，但该方程中岩体的渗透系数仍是定常数。J.A.Wang等[15]总结指出：煤矿采动时突水的主要原因是煤炭采动过程中岩体发生破裂，从而引起岩体渗透性的增强。研究证明：岩石在受力条件下，其渗透率不是定常数，而是随应力变化而发生应变变化，并且岩体裂隙的发育程度也是不断变化的[16]。主要表现有：当岩石为弹性阶段时，随着应力的增加，岩石内部的微裂隙被压实，其渗透性减小；当继续受力，岩石达到屈服强度后，其应力增幅不大的条件下，岩石中将不断地形成新的裂隙，直到贯通，岩石的渗透率将发生明显的增大。在这个过程中岩石的应力并没有发生明显的变化，但其应变是不断增加的，因此，用应力-应变表达渗透系数的变化不能通用，具有一定局限性。

采用ELSWORTH D等[17]提出的流固耦合模型的渗透系数求解公式建立模型，表达式为：

(2)

式中，k0为岩体初始渗透系数，单位m2/(Pa·sec)，由于FLAC3D模型和水力学中渗透系数的单位不同，两者需要进行换算，换算公式为：K(cm/s)×1.02×10-6=K(m2/(Pa·sec))；Δε和n分别是体应变增量和岩体的孔隙度。

公式(2)能够实现煤层采动过程中渗透系数的变化，基于公式(1)，将公式(2)通过FISH编程导入FLAC3D软件中，实现煤炭回采过程中岩体的渗透性随岩体变形的同步变化解。

3 煤层采动影响下陷落柱形态特征

3.1 模型的建立

结合淮北矿区开采现状及下组煤及围岩岩性特征等因素，定义-600～-800m采深为深部开采上限。为了研究煤层深部开采条件下陷落柱动态演化过程，建立数值模型。依据淮北矿区不同深度的太灰水位统计资料，研究设计煤层采深-800m，底板水压6MPa，模拟陷落柱采动演化特征。

设计模型长200m(X方向)、宽250m(Y方向)、高100m(Z方向)，陷落柱平面尺寸为边长20m的正方形，高延伸至煤层顶板泥岩之下，其空间位置为X(130，150)，Y(60，80)，Z(0，78)。6号煤采厚为3m，工作面宽度为150m，底板隔水层厚度为45m，模拟地层倾角为0°。X为推进方向，在50m处为切眼位置；为便于观察陷落柱演化过程，在陷落柱附近对模型进行了加密处理，地质模型见图2。

图2 地质模型

模型的边界条件：模型设置全约束底部边界，自由顶部边界。施加面力替代模型中的上覆松散层和其他待模拟岩层。煤层顶板设置为自由边界，模型左右和前后边界分别设定为X和Y方向，为隔水层边界。渗流的边界条件：底板下伏灰岩含水层水压设置为固定水压值，排水边界为煤矿采空区。模拟采用Mohr-Coulomb的屈服准则和Mohr-Coulomb的塑性本构模型计算。模拟将煤层上覆岩石概化为“顶板”，煤系地层与陷落柱力学与渗透系数等参数见表1。

表1 基于底板采动的FLAC3D模拟力学参数

3.2 流固耦合模拟结果分析

对工作面推进不同步距条件下，陷落柱塑性演化特征进行模拟，结果如图3至图7所示。

图3 工作面推进10m塑性破坏

图4 工作面推进20m塑性破坏

图5 工作面推进30m塑性破坏

图6 工作面推进40m塑性破坏

图7 工作面推进50m塑性破坏

对比推进不同步距条件下的陷落柱塑性破坏图可以看出：工作面初次采动时，受到柱体内承压水压力与采动应力共同的作用，陷落柱即产生塑性破坏，并且出现小范围侧向塑性破坏区，宽度为4m，如图3所示；当工作面推进至20m，工作面底板深部含水层的上方出现了明显的原位张裂带，此时，陷落柱上部塑性破坏区未发生明显的变化，但在灰岩含水层上方位置，陷落柱侧向塑性破坏区范围扩大至7m，如图4所示；当工作面推进至初次来压步距30m时，底板原位张裂带范围进一步增大，同时工作面超前裂隙破坏区的范围增大，超前裂隙破坏区范围为30m，此时完整岩层宽度仅剩16m，如图5所示；继续推进至40m时，工作面与陷落柱塑性区距离仅为6m，如图6所示；当工作面推进50m时，陷落柱侧向塑性破坏区与工作面超前采动裂隙已连通，二者间无完整的岩层，此时，形成了导水通道，陷落柱体内承压水可能沿着破坏通道进入工作面，造成突水事故。

研究发现，随着工作面不断回采推进，陷落柱侧向塑性破坏区范围逐步增大，突水危险性也随之增高。当进入深部开采后，底板在采动应力和高承压水压的耦合作用下，在底板深部形成一定范围的原位张裂区，随着工作面回采推进原位张裂区的范围不断扩大。工作面继续推进时，受高地应力和高承压水压共同影响，陷落柱体外侧的破坏区不断扩大，从而导致陷落柱与工作面间有效隔水层宽度不断减小，最终二者连通，发生突水。

从陷落柱诱发工作面突水的演变过程可以分析深部开采完整型底板在流固耦合条件下的陷落柱突水规律。受采动影响，工作面前方出现超前裂缝带，陷落柱体出现侧向塑性破坏带；随着推进工作面超前裂缝带与陷落柱侧向塑性破坏带宽度不断扩大，受采动影响与底板承压水共同影响，最终二者连通，形成底板突水通道，造成承压水沿裂隙进入采空区，导致工作面突水发生。

4 结 论

(1)基于FISH语言的二次开发，利用FLAC3D实现了采动过程中，底板采动应力与底板承压水渗透力相互影响条件下，工作面回采诱发陷落柱突水过程的数值模拟。

(2)流固耦合作用下，工作面超前采动塑性区宽度为30m；受采动应力与承压水压力共同影响，形成侧向塑性破坏区，造成陷落柱与工作面间的有效隔水层厚度明显减小，随着工作面继续推进，工作面超前采动裂缝带与陷落柱侧向塑性破坏区沟通，可能造成突水。

(3)研究揭示了矿井深部开采、流固耦合条件下陷落柱诱发工作面采动突水机理。突水过程可概括为工作面超前采动裂隙与陷落柱侧向塑性破坏区形成，随着采动二者距离不断减小，直至相连通，即流固耦合条件下，工作面回采诱发陷落柱突水。

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[责任编辑：徐乃忠]

辽宁省部署开展煤矿百日安全生产活动

为深入贯彻习近平总书记、李克强总理关于安全生产工作重要指示批示精神，全面落实国务院安委会、国家安全监管总局和辽宁省委政府关于安全生产工作的安排部署，巩固煤矿安全生产大检查和全面安全“体检”工作成果，确保十九大会议期间及到年末前全省煤矿安全生产形势的持续稳定，近日，辽宁煤监局、省煤管局联合印发文件，部署开展全省煤矿百日安全生产活动。

根据活动方案，本次活动时间9～12月份，划分为宣传发动、活动实施和督促检查3个阶段。活动要求，各省属国有煤炭企业和产煤市煤矿安全监管部门要紧密结合实际，制定工作方案，细化措施、明确责任，以重大灾害治理、瓦斯防治为重点精心组织开展活动，努力减少各类煤矿生产安全事故的发生。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.9.21

StudyofCollapseColumnWaterInrushunderFluid-solidCouplingEffectofCoalSeamMininginDeep

ZHANG Hong-mei，ZHAI Xiao-rong，WU Ji-wen，SHEN Shu-hao

(School of Earth & Environment，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China)

It taking under-group coal seams mining of Huaibei mine area as example，collapse column water inrush principle that induced by mining in deep was studied，collapse column water inrush model was built.Secondary development was made for FLAC3Dbased on FISH，and then the broken characters of collapse column under different advanced distance with fluid-solid coupling effect were studied.The results showed that under coupling effect of high ground pressure in deep and high confined water，with working face cutting，lateral plastic deformation appeared in collapse column.Plastic broken scope developed to outward under minging influence，an intact strata width between fracture zone before working face and collapse column plastic broken zone，when working face advance distance was about 50m，two sites were connected thorough at the site to collapse column was about 30m，then water inrush channel formed，and would inducing collapse column water inrush，the results showed that collapse column water inrush process and principle under fluid and solid coupling effects of coal seam mining in deep.

mining in deep；fluid-solid coupling；permeability coefficient；karst collapse column；water inrush principle

TD745

A

1006-6225(2017)05-0102-04

2017-04-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.026

国家自然科学基金面上项目(41572147)；国家自然科学基金面上项目(41272278)；安徽高校自然科学重点项目，矿山地质灾害防治安徽省重点实验室项目(KJ2016A826)

张红梅(1982-)，女，安徽舒城人，讲师，在读博士，主要研究方向为煤矿地质与工程地质。

张红梅，翟晓荣，吴基文，等.深部煤层采动流固耦合效应下陷落柱突水机理研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：102-105.