非均布水压作用下采动煤层底板渗流与应力耦合破坏数值模拟.pdf

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1、第36卷第3期大连大掌学报V_0l_36NO．32015年06月J0URNAL0FDALIANUNIVERSITYJun．2015非均布水压作用下采动煤层底板渗流与应力耦合破坏数值模拟宋力，宋春杰，樊成，张云杰(大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连116622)摘要：在原岩应力，地下水，地质构造和煤层扰动等因素的基础上，根据煤层底板含水层水压不均匀的特点，从渗流场与应力场共同作用的角度出发，建立了底板含水层非均布水压力学模型和倾向条状带的流固耦合模型。根据弹塑性理论求得煤层底板突水的极限

2、水压力的弹性理论解和塑性理论解。运用FLAC3D数值模拟软件对采动工作面底板进行流固耦合数值模拟，分析了采动煤层底板的破坏特征和渗流特性。重点模拟工作面推进过程中非均布水压作用下底板的变形，破坏区域，孔隙水压力的变化等，得出非均布水压力对隔水岩层的破坏影响明显小于均布水压的重要认识。关键词：非均布水压；流固耦合；底板破坏；塑性破坏；数值模拟中图分类号：TD822文献标识码：A文章编号：1008．2395(2015)03．0036-05收稿日期：2015-03—19基金项目：国家自然科学基金(511

3、04026，41172265)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013475)；地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金(2012K008o作者简介：宋力(1959．)，男，博士，教授，研究方向：计算岩石力学。以往研究中将含水层水压看作均不压力的不符合实0引言际的假设，建立了条状水压作用下的非均布水压模型与均布水压模型，并运用数值模拟软件FLAC3D进一直以来，矿井水害长期威胁我国煤矿安全生产，行了模拟并对结果进行了对比分析。相关数据表明，超过一半以上的矿井事故与地下水的影响密切相关【J

4、J。目前，国内外学者对底板突水机1采煤工作面底板非均布水压作用下力学模理开展了大量研究工作，提出了各具特色的方法和理型论L2J。然而大多数理论均从数学的角度出发，对于采动岩体在渗流与应力共同作用下的破坏过程没有当煤层底板含水层仅仅在局部位置赋水时，水压直观的描述方式。而随着数值模拟技术在岩土工程领力不再像均布赋水时水压均匀的分布在底板隔水层域的巨大发展与进步，应用该方法对底板突水问题的底面的边界上，而是集中的作用于隔水层上部。假设分析研究越来越重要，并逐渐成为主流方法之一。并煤层底板有效隔水带为四

5、边固定支撑的矩形平板。其且可解决诸多复杂的工程问题，尤其适用于分析工程上部承受重力值的大小为，平板下方承受来自含材料的弹塑性问题以及土建工程实际施工问题的数水层的不均匀的承压水压力，用P表示，作用于板上值模拟研究【6J。此外，国内外专家研究一般都是局的面力用，2一，z1表示限于均布水压突水，而忽略了实际工程中有些煤层的，力学模型如图1所示。依据薄板理论和相关的弹性力学理论知识求得底板隔底板含水层其水压是不均匀分布的，当水压不均匀时，底板隔水层不再是全部赋水，底板受影响的范围变小，水层所能承受的极限

6、水力为底板的破坏程度也有所减弱，不再像均布水压时整个：=——————6———￡—2—17—————堡—攀—————+十，z底板全部受到承压水的作用，对突水引起的破坏影响19+)f1、、有所夸大。容易对指导工程实践产生偏差，使一些原本可以开采的煤矿认为难以开采而造成煤矿资源的式中，h为底部岩体的总厚度，为底板岩体最浪费[8-12】。本文通过大量资料研究的基础上，修正了大破坏深度；‘0为隔水层岩石平均抗剪强度；为岩第3期宋力等：aE均布水压，作用下采动煤层底板渗流与应力耦合破坏数值模拟37体的容重；，

7、为保护带的长及宽=max(，)K1：；1～2．5；为岩体的泊松比。G告-o(2)P=Op／(‘ot)一慨／(3)h-hi寺，其中，6v为体应变，表达式为=一[(a”／)+(Ou／)+(auz／az)]Lv其中、G为。一拉姆常数，F．v为岩体的体应变，P为承压水的孔隙Uj，依次为J方向的位移水压力，Xj、、、坐标和(c)(d)体积力，K为岩体的渗透系数，为lapulas算子，图1非均布水压底板力学模型为弹性系数。在矿压和非均布水压共同影响下，当底板岩体达2．2FLAC3D流固耦合数值模型的建立到抗压

8、极限值时根据塑形理论相关方法得到底板隔参考相关资料，本文首先建立了非均布水压下的三维数值模型。模型的高度为173m，长度和宽度分p：—一+yh水l(层阜的极船瞩限水}c压力“(√(+3)，一)，o别为400m和300rfl。煤层的埋置深度为420m，模型包括六层，从上到下依次排列：老项，直接顶，煤表示煤层下方岩体抗拉强度的均值，大致范围层，隔水层，老底，固定底板，厚度分别为：50rn、K2=1～220m、3m、30m、20m、50m。计算中覆岩采用弹塑性本构模型，整个模型共划分48