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采掘擾動(dòng)下充水?dāng)鄬影踩c臨界距離的流固耦合研究

文檔作者：趙春虎文檔來源： 1．中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司 2．陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月31日
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第46卷第8期
2014年第8期
煤炭工程
COAL ENGINEERING
Vo1．46， No．8
No．8，2014
doi： 10．1l799／ce20l408030
采掘擾動(dòng)下充水?dāng)鄬影踩c臨界距離的
流一固耦合研究
趙春虎
(1．中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710054；
2．陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710177)
摘要：應(yīng)用Comsol4．2a有限元多物理場(chǎng)耦合軟件，“動(dòng)態(tài)”剖分模型采掘空間，模擬計(jì)算
了在采掘擾動(dòng)、充水?dāng)鄬铀畨毫τ绊懴聡鷰r應(yīng)力及變形的變化情況，算例顯示：采掘擾動(dòng)過程
中，在充水?dāng)鄬优c巖體的水壓影響下，采掘空間距斷層大于205m時(shí)，斷層與煤層接觸面應(yīng)力和
位移量基本為原始狀態(tài)；距斷層間距小于105m 時(shí)，接觸面壓應(yīng)力和向下位移量急劇增加，應(yīng)力
變化梯度明顯增大，存在斷層突水的可能。
關(guān)鍵詞：采掘擾動(dòng)；充水?dāng)鄬?；臨界距離；流固耦合；comsol
中圖分類號(hào)：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671—0959(2014)08-0095-04
Analysis on Liquid——Solid Coupling Between Safety and Critical
Distance of W ater Filling Fault Under M ining Disturbance
ZHAO Chun—hu。·
(1．Xi an Research Institute Company Limited．China Coal Technology and Engineering Group，Xi an 710054，China；
2．Shaanxi Provincial Key Lab of Mine Water Hazard Prevention and Control Technology，Xi an 710077，China)
Abstract： A Comsol4．2a finite element multi— physical field coupling software and a mining and excavation space of
“dynamic’’partition model were applied to simulate and calculate the variation conditions of the surrounding rock stress and
deformation under the water pressure influence of the mining disturbance and water filling fault． The calculation example
showed that in the mining disturbance process，under the water pressure influence of the water filling fault and rock mass，
when the a mining and excavation space distance was longer than 205m to the fault， stress and displacement value of a
interface between the fault and seam were basically in an initial state．When the space distance to the fault was shorter than
105 m，the pressure stress and downward displacement value of the interface would be sharply increased， the stress
variation gradient would be obviously increased and thus a possibility of a fault water inrush would be existed．
Keywords：mining disturbance；water filling fault；critical distance；fluid—solid coupling；comsol
隨著煤炭資源開采逐漸向深部發(fā)展，礦井深部采掘活
動(dòng)面臨“三高一擾動(dòng)”(高地溫、高地壓、高巖溶水壓、采
動(dòng)擾動(dòng))的影響，特別在我國華北型煤田，煤系地層底板下
伏承壓性較高的巖溶裂隙含水層，該組含水層與煤系地層
問多發(fā)育隱伏構(gòu)造，部分構(gòu)造(巖溶陷落柱、斷層等)在垂
向上具有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力? ，一般礦井采掘活動(dòng)中根據(jù)經(jīng)
驗(yàn)公式留設(shè)一定厚度的防隔水煤柱 ，但由于采掘擾動(dòng)及
承壓水的作用，時(shí)有底板隔水層與斷層防水煤柱失效，導(dǎo)
致礦井突水事故發(fā)生。追究其原因主要是：采掘擾動(dòng)導(dǎo)致
巖體原始應(yīng)力場(chǎng)破壞，水壓使巖體的有效應(yīng)力和力學(xué)強(qiáng)度
降低，因而發(fā)生較多巖體失穩(wěn)與突水事故 。其中，高承
壓的地下水壓力、地應(yīng)力和采掘擾動(dòng)是影響礦井深部巷道
收稿日期：2013—11—06
基金項(xiàng)目：“十二五” 國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC10B03)；陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011JQ5015)；中國煤炭科
工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金(2013ZD002)；中國煤炭科工集團(tuán)西安院自籌資金科技創(chuàng)新項(xiàng)目
(2014XAYCX)
作者簡(jiǎn)介：趙春虎(1981一)，男，陜西寶雞人，碩士、工程師，現(xiàn)從事礦井防治水方面的研究，E—mail：
zhaochunhu51002@ 163．com。
引用格式：趙春虎．采掘擾動(dòng)下充水?dāng)鄬影踩c臨界距離的流一固耦合研究[J]．煤炭工程，2ol4，46(8)：95-97，101．
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煤炭工程 2014年第8期
圍巖應(yīng)力與變形的主要因素，形成了地下水滲流場(chǎng)、巖體
地應(yīng)力場(chǎng)的流固耦合效應(yīng)。。J。大量的地下工程研究及工程
實(shí)踐表明[7,8 2，對(duì)巖體的安全性進(jìn)行流固耦合分析，是一種
更接近于實(shí)際情況的、更有效的分析方法。
論文將流一固耦合的思想引入到巷道開挖地應(yīng)力場(chǎng)及
滲流場(chǎng)分析中，結(jié)合巖體彈塑性力學(xué)和流體力學(xué)等理論，
應(yīng)用有限元Comso~．2a多物理場(chǎng)耦合軟件，動(dòng)態(tài)剖分模型
采掘空間，模擬計(jì)算了巷道在地下水壓力影響下距離導(dǎo)水
斷層不同距離時(shí)的圍巖應(yīng)力及變形的變化情況，為礦井安
全防水煤柱的留設(shè)提供了一定科學(xué)依據(jù)。
1 流一固耦合數(shù)學(xué)模型
巖土的流一固耦合數(shù)學(xué)模型主要包括滲流模型、地應(yīng)
力模型。
流場(chǎng)方程：
V『 v小=0 (1)
位移場(chǎng)方程：
G7 u V‘(7 u)一a Vp 0 (2)
式中， 為多孔介質(zhì)絕對(duì)滲透率， m ； 為流體黏
度，Pa·s：P為流體密度，g／cm ；P為地下水壓力，Pa；
G為切變模量，G=2E(1+ )，E為介質(zhì)彈性模量； 為介
質(zhì)的排水泊松比； 為Biot系數(shù)，其值取決于材料的壓縮
性能； 分別為x軸、Y軸及z軸方向的位移。
Vp反映了滲流場(chǎng)對(duì)固體骨架的影響，其本質(zhì)是流體流
動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的孔隙壓力影響了固體骨架的應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而影響
固體骨架的變形。上式是基于Biot經(jīng)典滲流理論的表達(dá)式。
2 算例模型
2．1 物理問題描述
三維空間中定義導(dǎo)水逆斷層影響帶寬度為20m，斷層
上盤煤層(厚度為5m)上覆砂巖地層厚度320m(即z軸方
向)，下伏隔水層厚度30m，模型基本尺寸為 ×Y× =
1200m x500m x 600m，采空區(qū)由右逐步向左端導(dǎo)水?dāng)鄬?
推進(jìn)。
筆者不研究采動(dòng)是否引起底板或斷層損傷的突水問題，
目標(biāo)問題是重點(diǎn)分析采空區(qū)推進(jìn)過程中，在采掘擾動(dòng)和充
水?dāng)鄬铀畨河绊懴拢锏兰皫r體的應(yīng)力分布特征和變形情
況。認(rèn)為在斷層與巖體導(dǎo)含水的工況下：① 當(dāng)采掘擾動(dòng)對(duì)
斷層與煤層接觸面應(yīng)力狀態(tài)影響小，其應(yīng)力場(chǎng)仍基本為原
始狀態(tài)時(shí)，此時(shí)斷層距巷道距離定義為“安全距離”，即巷
道距充水?dāng)鄬拥拈g距大于該“安全距離”，導(dǎo)水?dāng)鄬又苓厧r
體應(yīng)力與位移基本原始狀態(tài)，不會(huì)引起斷層的突水問題；
②距離進(jìn)一步縮小后，采掘擾動(dòng)使斷層一煤層接觸面應(yīng)力
和變形發(fā)生明顯變化，且該段應(yīng)力梯度急劇增大，此時(shí)定
義為“臨界距離”，巷道距充水?dāng)鄬拥拈g距小于該“臨界
距離” 斷層帶周邊應(yīng)力與位移變化大，存在斷層水突破煤
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柱的可能。
2．2 定解條件
初始條件：導(dǎo)水?dāng)鄬訋Ъ盎規(guī)r含水層定義為滲流區(qū)(亦
為流固的耦合區(qū))，區(qū)內(nèi)P I 。 =pn；全區(qū)均為應(yīng)力區(qū)，
u I 、=0，P。為多孔介質(zhì)初始孔隙壓力，P。=2MPa，u為
位移。
邊界條件：P I =p (滲流區(qū))；u l ：u ，P。為邊界上的
孔隙壓力，模型區(qū)底面定義孔隙水壓力為4MPa，u 為邊界
上的位移，模型中定義底面為固定邊界，其位移為0，模型
頂面(包括斷層上部)與采空區(qū)直接與大氣相通定義為自由邊
界，其壓力值為大氣壓(值為0．1MPa)，模型兩側(cè)面定義為
“輥邊界”，僅在垂向上有位移產(chǎn)生，水平方向位移為0。
2．3 模型建立
模型中各巖層的巖石物理力學(xué)特性見表1，在問題重點(diǎn)
區(qū)域煤層巷道及斷層帶進(jìn)行了局部加密剖分，如圖1所示，
模型在斷層帶右側(cè)的100m范圍內(nèi)的煤層段設(shè)置成應(yīng)力監(jiān)測(cè)
段，斷層帶與煤層的接觸面(約為5．2m)設(shè)置成位移監(jiān)測(cè)
段，以監(jiān)測(cè)采掘過程中應(yīng)力與位移的變化情況。
表1 流固參數(shù)表
PI-4M Pa
圖1 模型區(qū)剖分示意圖
本次模擬中將采掘空間距斷層間距 定義為模型的全
局參數(shù)，通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)的參數(shù)掃描功能， 作為掃描參
數(shù)，每次間距減少50m動(dòng)態(tài)剖分采掘空間，穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型
一次。因而模型的運(yùn)行達(dá)到高度的非線性，為了便于分析
比較，以下輸出內(nèi)容為模型二維斷面計(jì)算成果。
2．4 模擬分析
2．4．1 導(dǎo)含水條件初始應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)模擬
為了分析水壓對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的作用，首先計(jì)算了煤層底板
和斷層有水壓和無水壓兩種工況下，開拓巷道距斷層交界
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2014年第8期 煤炭工程
2)，系統(tǒng)隨機(jī)從中抽取了序號(hào)為3、13和20的樣品作為檢
驗(yàn)水樣，序號(hào)23的水樣為待判水樣，其余為訓(xùn)練水樣。利
用訓(xùn)練水樣對(duì)建立GRNN模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練好后為檢驗(yàn)
GRNN的預(yù)測(cè)和泛化能力，用檢驗(yàn)水樣對(duì)訓(xùn)練好的GRNN
進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表3，從表3中可以看出實(shí)際輸出結(jié)
果與期望輸出結(jié)果完全一致，說明論文提出的MapObjects
與GRNN耦合水源識(shí)別技術(shù)具有預(yù)測(cè)能力強(qiáng)、識(shí)別準(zhǔn)確率
高的特點(diǎn)。
表3 GRNN 網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)檢驗(yàn)訓(xùn)練好的GRNN滿足水源識(shí)別要求，將未知水
源水樣歸一化后的水質(zhì)輸入該網(wǎng)絡(luò)，輸出為[1，0，0]，
因此判定該采樣點(diǎn)的水源為十 灰水，和現(xiàn)場(chǎng)揭露判別結(jié)論
一致，同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)輸出比較理想，說明該水樣為標(biāo)準(zhǔn)的十
灰水，因此將其加入shape文件中，更新礦井已知水源的樣
品數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用表明MapObjects與GRNN耦合水源識(shí)別
技術(shù)可以有效地進(jìn)行礦井充水水源識(shí)別。
5 結(jié)論
1)針對(duì)礦井水質(zhì)受多種因素的影響，傳統(tǒng)方法構(gòu)建標(biāo)
準(zhǔn)水源樣品庫存在數(shù)據(jù)量大、識(shí)別準(zhǔn)確率不高等問題，提
出了基于MapObjects圖形疊加和空間分析的動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)水源
樣品庫的方法，該方法可以綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動(dòng)
等因素的影響，為每一個(gè)待判礦井充水水樣動(dòng)態(tài)建立專門
的標(biāo)準(zhǔn)水源樣品庫，為水樣水源的準(zhǔn)確識(shí)別奠定了堅(jiān)實(shí)的
基礎(chǔ)。
2)提出了MapObjects與GRNN耦合的礦井充水水源識(shí)
別方法，該方法充分利用了MapObjects強(qiáng)大的空間分析功
能和GRNN很好的預(yù)測(cè)、泛化能力，兩者的有機(jī)結(jié)合可以
較好地提高礦井水源識(shí)別的準(zhǔn)確率。
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38． (責(zé)任編輯張寶優(yōu))
(上接第97頁)
響，壓應(yīng)力減小，拉應(yīng)力范圍增大，煤層與斷層交界處位
移未發(fā)生變化。
2)算例顯示：采掘擾動(dòng)與充水?dāng)鄬铀畨河绊懴?，隨著
巷道向前開拓，距斷層大于205m時(shí)，主應(yīng)力和位移量基本
為原始狀態(tài)，且沿巷道至斷層監(jiān)測(cè)段應(yīng)力變化小。距斷層
大于105m時(shí)，其壓應(yīng)力和向下位移量增加明顯，且沿采掘
空間至斷層監(jiān)測(cè)段壓應(yīng)力急劇增加，同時(shí)斷層與煤層接觸
面的位移量亦增加明顯。所以得出斷層導(dǎo)水情況下安全距
離為205m，臨界距離為105m。
3)安全、臨界距離的確定，取決于斷層水壓、各巖體
力學(xué)性質(zhì)等綜合因素的控制，而基于流固耦合的數(shù)值模擬
手段提供了研究便利。
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