断层影响下顶板突水机理的数值模拟研究

《断层影响下顶板突水机理的数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、断层影响下顶板突水机理的数值模拟研究　0引言　　　　矿井突水作为煤矿生产中的重大灾害之一，严重威胁井下工作人员的生命安全，一直是煤矿灾害防治的重点[1]。尤其近些年来，由于煤炭开采的规模逐步扩大，突水事故频发，造成了不可估量的损失。以往底板突水一直被作为煤矿水害的防治重点[2-6]，但随着技术的进步，煤矿综合机械化的普及，顶板突水问题对煤矿生产的影响逐渐显现出来，并且其防治难度要更大。大量工程实例表明，相当一部分突水事故都与断层的存在有着一定关系[7-10]。本文将以徐州矿务局某矿为工程背景，对断层影响下

2、的顶板突水进行研究，应用flac进行数值模拟，以期对断层影响的顶板突水机制有进一步认识及对煤矿安全生产有进一步提高。　　　　1矿井水文地质条件　　　　该井田拥有东南低西北高的地势，井区内岩层出露较好，利于降水入渗补给地下水。井田内含水层主要有中下石炭统梓门桥组岩溶承压含水层,该含水层厚度60m左右，以及下石炭统测水组砂岩裂隙承压含水层，整体水位西北高、东南低，径流方向由西北向东南。隔水层主要有下部的泥灰岩，厚10~30m，其隔水性较好，此隔水层位于开采煤层之上60m左右。　　根据多年的观测，直接向矿井充水

3、的是测水组砂岩裂隙承压含水层水，尤其是4煤顶板石英砂岩，该含水层厚度5~16m，节理、裂隙很发育，渗透系数大，出露高程较高，开采过程中一经揭露便向工作面涌水，矿井涌水量虽随着开采范围的加大有所增长，但一直稳定在70m3/h以下。　　其中该矿某工作面在掘进过程中，要穿过一条正断层，断层倾角大约为60°，落差10m，工作面从下盘向上盘推进。由于该矿井煤层不稳定，工作面走向长度一般不超过200m。煤层才用长臂式开采，开挖步距为10m，跨落法顶板管理。而由于断层的存在及影响，有可能将上方含水层中的裂隙水导入采场，

4、影响煤矿生产安全。　　　　2数值计算模型的建立　　　　flac(fastlagrangiananalysisofcontinua)是由美国itasca公司开发的，一种用于工程力学计算的二维显式有限差分程序。该软件系统的基本原理和算法与离散元相似，但它采用的是节点位移连续的条件，可以较好地模拟由土、岩石和其他的在到达屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的结构的特性，特别适合求解岩土力学工程中非线性的大变形问题。　　为了方便得出断层对顶板上覆岩层隔水性能影响规律，结合flac中的流固耦合模块，分别建立无断层和

5、含断层两类顶板数值分析模型，分析比较其结构力学特征和渗流特征的差异。模型围岩本构关系采用mohr-coulumb模型。计算模型几何尺寸为200×100m，煤层厚度为3m，模型顶部为承压含水层，上覆岩层总厚度为57m，下覆岩层厚度为40m。断层倾角为60°，断距为10m。工作面位于断层左侧，从左向右推进，开挖步距为10m。顶部上边界施加的空隙水压为2mpa，模型范围以上的岩层等效为5mpa均布载荷施加于模型的上边界。模型底部约束垂直方向位移，左右两边约束水平方向位移，除上边界外，其他边界均设置为不透水边界。

6、其中在对断层的模拟上，把断层穿过岩体单元合并考虑，对该单元所附材料参数与断层相同。　　　　3垂直应力分布特征　　　　为充分了解采场距断层的距离不同对顶板上覆岩层的稳定性和渗流特性的影响，分别给出了模型无断层及含断层时的垂直方向应力分布云图。　　由分析得：当无断层时，采场围岩存在两个应力集中区，位于采空区的两侧；由于断层带的存在，采场围岩存在三个应力集中区，分别位于采空区的两侧和断层带；随采场的推进，由于采动引起的应力集中区不断向断层位置靠近，并与断层带附近的应力集中区叠加，从而使得应力集中程度不断加剧。　

7、　对于含断层的情况，当采场位置距断层较远时，采动引起的应力集中对断层内岩体的应力影响较小，但当采场位置距断层较近时，则采动引起的应力集中对断层内岩体的应力影响较大。当采场由距断层80m推进至60m时，断层内垂直应力由1.5mpa增至1.9mpa，增幅为25%；当采场由距断层50m推进至30m时，断层内铅垂方向应力由2.3mpa增至4mpa，增幅达48%，增幅扩大近2倍。可见，一方面断层受采动影响，自身稳定性将随采场与断层间距离的减小而将受到更严重的影响，一旦断层被活化，导水性增强，导致顶板发生突水事故的概

8、率增加；另一方面，断层除了作为导水通道外，还可能破坏采场围岩承载结构，引发上覆岩层失稳，隔水性能降低，从而发生突水事故。　　　　4塑性区及孔隙水压分布特征　　　　分别给出了含断层时工作面围岩随采场推进的塑性区分布云图和孔隙水压分布云图；给出了有无断层的情况下，顶板破坏深度h的变化曲线。经过对比分析，可知：　　(1)当采场推进至70m时，顶板破坏深度大约为31m，在含断层的情况下，采场同样推进至70m时，顶板破坏深度大约为35m