应力与渗流耦合下煤层开采覆岩破坏研究

2017-12-25梁世伟

呼伦贝尔学院学报 2017年6期

梁世伟

应力与渗流耦合下煤层开采覆岩破坏研究

梁世伟

（西安科技大学高新学院采矿工程系陕西西安 710000）

在分析陕西某煤矿20201工作面上覆岩层的地质特征的前提下，利用国际岩土工程学界十分推崇的有限差分程序（FLAC）建立了采动岩体的应力与渗流耦合模型，对采动引起的上覆岩层的破坏进行了计算机数值模拟，得出了工作面上覆岩层的应力、位移的变化特征，同时，在上覆含水层水压的作用下，得出了随着工作面的推进的覆岩孔隙水压力分布规律。孔隙水压力分布规律是采动应力与渗流耦合作用下煤层覆岩破坏的重用表现，因此，通过对孔隙水压力分布规律的研究来分析应力与渗流耦合下的覆岩破坏更具有积极的理论与实践意义。

采动覆岩；应力与渗流耦合；计算机数值模拟；覆岩破坏

引言

近些年，随着西部大开发的逐步深入，西部地区的煤炭资源开采量巨大，其中包含大部分煤田的生态环境脆弱地区破坏较为严重，尤其是由于采动损害所造成的水资源流失更为严重，因此钱鸣高等学者大力倡导煤炭绿色开采[1]，不能像以前那样粗放式的开采，而是煤炭开采与生态环境保护相协调的开采方式，这里有一个重要的子课题就是保水开采，因此，具有上覆含水层的煤层开采覆岩破坏就显得尤为重要，以往分析覆岩破坏会忽略上覆含水层水压的作用，但是在实际作用中，渗流作用对采动应力的影响较大，从而影响覆岩破坏规律[2-4]。

由于渗流作用对煤层开采覆岩破坏的重要性，所以大批学者对应力与渗流耦合下的覆岩破坏进行研究，总结了众多其分析方法[5-10]，如实验室相似材料物理模拟，计算机数值模拟，矿山现场实测等手段，各种分析方法都有其优缺点，其中计算机数值模拟是近些年发展起来的，它具有分析灵活，使用方便的特点，使其迅速广泛的应用。本数值模拟采用的是有限差分程序FLAC对采场覆岩进行分析，对覆岩随着工作面的推进过程中的应力、位移的变化规律进行分析。

1. 建立应力与渗流耦合模型

1.1 某煤矿20201工作面地质概况

20201工作面属于2-2煤层，该煤层是属于全区可采；在井田北部遭受后期剥蚀出露，沿露头自燃形成带状自燃区，在煤层的东南部遭受冲刷剥蚀，煤层的可采面积约15.39km2（不含采空区）。整个煤层东部及南部薄，西北部厚的分布特点，基本呈由西北向东南逐渐变薄之趋势，规律明显。

煤层厚度为1.03～2.67m，平均厚度为2m，变异系数0.22，赋存区面积可采率为96.1%；该煤层结构单一，一般不含夹矸。岩性为细粒砂岩、炭质泥岩、和粉砂岩。从煤层底板形态看，该煤层在平面上变化趋势很有规律，形成了自南向北缓缓西倾的单斜层，煤层倾角呈近水平。煤矿南缘的地下水属潜水，该地段由于基岩的风化，属于沟流的潜流区，富水性中等，据以往S6号钻孔抽水试验，最大涌水量2.779l/s，平均单位涌水量0.1735l/s.m，渗透系数6.47m/d。

1.2 模型的建立

依据20201工作面的地质特征，通过矿山现场取岩芯，对其进行实验室的测试，充分的掌握岩体材料的力学特性。通过实验室的力学测试得出了岩体的抗压强度、抗拉强度等参数，这样为模型的标准化建立提供了条件。表1-1说明各个岩层的力学性质：

表1-1 20201工作面覆岩的岩石物理力学性质

Table 1-1 20201 rock physical and mechanical properties of overlying rock strata

通过以上岩体材料力学性质的说明，可以利用有限差分程序FLAC对其进行建模，模型的范围为：部分煤层底板，开采煤层，和上部全部覆岩，共149.1m，模型的左右边界是自开切眼与收作线各向外扩展100m为准，这样就可以对上覆岩层的破环进行全面分析。模型的边界条件设置如下：模型右、左边界取u=0,v=0（v为y轴方向位移，u为x轴方向位移），即单约束边界；在模型的底部边界取u=v=0,为全约束边界；模型上部边界为地表面，不作任何约束，视为自由边界。另外，模型的顶部加100m的固定水头，视为恒定水源。以上述依据建立力学计算模型如下图1-1所示。

图1-1 力学计算模型

FIG. 1-1 mechanical calculation model

2. 数值模拟结果分析

2.1 应力变化分析

计算机数值模拟对应力分析是全面的，能够分析随着工作面的推进，上覆岩层的应力变化规律及分布特点。本次模拟工作面连续推进200m，如图2-1、2-2、2-3所示，分别表示覆岩竖向应力分布云图，从云图上分析可得：随着工作面的不断推进，上覆岩层经历了变形-离层-失稳的过程，相应的应力也随之变化，首先竖向应力的方向在逐渐偏转，由两侧向采空区中央偏转，由于方向的变化，整个应力场呈现分异现象，按应力的性质可以使云图划分三个区：在煤柱两侧由于是支撑力，表现为受压区；采空区上方由于是失去了煤层的支撑，呈现受拉的趋势；远离采空区的位置，由于受到冒落矸石的支撑，呈现压应力的表现，但是数值较小，接近原岩应力；此趋势随着工作面逐渐向前推进，也在不断的前移。在应力分布整体表现来看，形成了以开切眼与工作面、工作面的两侧巷道为四点支撑的应力拱，形成的应力拱不断前移变化。

图2-1 工作面推进100m时竖向应力云图

Figure 2-1 working face advancing 100 m when the vertical stress nephogram

图2-2 工作面推进150m时竖向应力云图

Figure 2-2 working face advancing 150 m when the vertical stress nephogram

图2-3 工作面推进200m时竖向应力云图

Figure 2-3 working face advancing 200 m when the vertical stress nephogram

2.2 位移变化分析

煤层开采的覆岩破坏充分的反应在位移的变化上，如图2-4、2-5、2-6所示，从竖向位移云图分析得知：随着工作面的向前推进，上覆岩层的位移也在不断发生变化，从整体表现来看，大致可以分五个区域：塑性变形区、弹性变形区、拉张破环区、局部拉张区、拉张裂隙区，各区具有各自的位移变化特点。覆岩破坏主要受采空区上方的塑性区分布以及煤壁上方的塑性区分布影响。

图2-4 工作面推进100m时竖向位移云图

Figure 2-4 working face advancing 100 m vertical displacement contours

图2-5 工作面推进150m时竖向位移云图

Figure 2-5 working face advancing 150 m vertical displacement contours

图2-6 工作面推进200m时竖向位移云图

Figure 2-6 working face advancing 200 m vertical displacement contours

2.3 应力与渗流耦合下的孔隙水压力分析

在煤层采动的过程中，采动应力使得上覆岩层的渗透性发生了变化，渗透性的变化又反应孔隙裂隙的变化特征，进而影响覆岩破坏的规律。孔隙水压力的变化是应力与渗流耦合作用的结果。随着工作面的推进，工作面的两个端头的应力最为集中，影响最大，孔隙水压力值也是最大，首先出现裂隙，工作面继续推进，孔隙水压力在逐渐减小，这反映上覆岩层的裂隙闭合，所以孔隙水压力的变化直接反应覆岩破坏的规律。图2-7、2-8、2-9就是随着工作面的推进距离的变化而呈现出不同的孔隙水压力分布。

图2-7 工作面推进100m时覆岩孔隙水压力云图

Figure 2-7 working face advancing 100 m strata pore water pressure contours

图2-8 工作面推进150m时覆岩孔隙水压力云图

Figure 2-8 working face advancing 150 m strata pore water pressure contours

图2-9 工作面推进200m时覆岩孔隙水压力云图

Figure 2-9 working face advancing 200 m strata pore water pressure contours