断层参数对承压水体上采煤的影响分析.doc

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1、断层参数对承压水体上采煤的影响分析张均锋1，张华玲1，孟达1，张万淮2，曾健勇2，王东喜2(1.中国科学院力学研究所，北京100080；2.河北金牛能源集团股份有限公司显德汪矿，邢台054107)摘要：根据流固耦合理论，采用有限元数值模拟的方法，针对承压水体上采煤过程中断层参数（断距、倾角）对煤层、围岩的应力、变形和水压力变化的影响进行了模拟分析，探讨了存在断层时突水的机理和可能的突水点位置，并定量分析了防水煤柱的预留距离。得出以下结论：（1）当存在正断层时，多发生断层破坏型突水，而底板破坏型突水发生的几率较小；（2)突水性质和突水发生位置受断层断距和倾角的

2、影响不大，煤层和采煤工作面附近的底板围岩都可能成为突水涌出点；（3)随着断层断距和倾角的增加，防水煤柱的合理留设距离应随之增大。以上结果可为实际矿井采煤防突水设计提供参考。关键词：断层；突水；流固耦合；采煤中图分类号：文献标识码：A文章编号：1000-3665（2009）06-0000-00断层广泛分布于矿井围岩中，是矿床充水和诱发采煤过程中突水的重要因素之一。对于断层存在时煤层底板突水机理的研究，仅仅通过突水系数这种经验性判据对断层隔阻水能力进行评价是远远不够的。谭志祥基于岩体极限平衡理论，分析了断层突水的力学机制，并结合Mohr-Coulomb准则，给出

3、了相应的突水理论判据[1]。施龙青认为底板突水是岩体沿断裂面发生滑动造成的，并建立了断裂突水力学模型，对断裂影响下的底板突水机制进行了研究[2]。黎良杰等通过相似材料模拟试验，分析了开采过程中采场围岩的变形及其破坏过程、应力变化规律，以及断层存在时的采场底板突水机理[3]。数值计算方面，王成绪利用有限元数值计算，从围岩变形破坏特征角度，指出分析突水问题应将应力应变与渗流相结合，且断层和陷落柱等也是考虑的因素[4]；杨栋等采用双重介质模型方法，给出了承压水上采煤的裂隙介质流固耦合数学模型及其数值模拟解法[5,6]。谢兴华等数值模拟了工作面推进过程中，断层影响下

4、的底板岩层变形破坏和渗流水头的变化，从而对突水进行了预测预报[7]；冯启言等基于多孔介质的应力与渗流耦合理论，数值模拟了采动影响下完整底板的破断失稳、裂隙扩展和突水过程，对底板易发生突水部位进行了预测[8]。Wang等通过FLAC3D的模拟分析，对采空区底板岩层破断突水机理进行了解释[9]。但这些研究往往是定性的理论结果，由于数值模拟中对模型做了较为严格的限定，使得定量结果在工程中的应用尚有差距。本文以河北某矿实际采煤为背景，利用应力与渗流耦合模型，将断层存在形式、断距和倾角等参数作为突水影响因素，通过数值模拟定量分析这些因素在强耦合作用下对煤层围岩应力场及

5、渗流场的影响，进一步深化对小构造影响下突水机理的认识、确定突水的类型，分析可能发生的突水点位置，并定量确定采煤过程中防水煤柱的预留距离，为实际的采煤设计、生产进行突水预测与防治提供依据。1流固耦合作用的力学模型1.1承压水在岩层中渗流假设各岩层为各向同性多孔介质，且岩层中地下水的运移方式为多孔介质中的渗流运动，并满足达西渗流定律。在稳态情况下，忽略水的可压缩性，Darcy定律可表示为：（1）式中：——j方向的渗流速度（m/s）；——渗透系数（m2/(Pa.s)）；——孔隙水压力（Pa）。在质量守恒条件下，煤层围岩微段内承压水稳定渗流的基本微分方程为：（2）1

6、.2煤岩的弹塑性破坏准则对于煤层围岩材料，同样假设各岩层和煤层均为各向同性介质，本文采用弹塑性本构模型。在弹性阶段，煤层围岩变形满足广义胡克定律：（3）式中：和——拉梅常数；——Kronecker记号；——应变分量；——体积应变。当煤岩材料进入塑性阶段，其屈服条件满足Drucker-Prager准则：（4）式中：；；——静水压力（Pa）——等效应力（Pa）；上覆压力断层固相固定边界；流相定压边界零流量边界零流量边界；——摩擦角（度）；——粘聚力（Pa）。1.3应力场和渗流场的耦合岩石和煤层作为多孔介质，在外力作用下的变形将改变原有的孔隙水压力分布及渗流特性；

7、而孔隙水压力又反作用于岩石骨架，从而导致岩石骨架的应力重分布。因此围岩和煤层的应力平衡状态是岩石骨架应力和孔隙水渗流压力相互耦合的结果。根据Terzaghi有效应力原理，当外力作用于多孔介质时，其总应力可分为两部分：一部分为孔隙水压力，另一部分则为岩石介质所承受的有效应力，即（5）由弹性力学知，任一点应力平衡微分方程为：（6）式中：——体积力。结合(6)、(7)两式得：（7）记，则方程（8）可改写为：（8）方程（9）即为考虑孔隙水压力在内的围岩应力平衡微分方程。其中新增的体积力项作为应力和渗流的耦合项，是孔隙水对围岩变形的作用，其仅和孔隙水压力有关。当不考虑

8、水压力变化引起的介质体积的变化时，渗透系数随应力的变