基于COMSOL的巨厚松散层条件下固结数值分析.pdf

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1、2015年第40卷第2期能源技术与管理Vo1．40No．2EnergyTechnologyandManagement159+doi：10．3969／j．issn．1672—9943．2015．02．064基于COMSOL的巨厚松散层条件下固结数值分析石小刚(煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司，河南郑州450007)[摘要]基于COMSOMLMultiphysics有限元数值模拟软件对扰动土体固结沉降建立数值模型，模拟分析巨厚松散层条件下开采的土体固结现象，阐述了此种地质条件下井下开采地表沉陷的机理。[关键词]井下开采；COMSOL模拟软件；巨厚松

2、散层；数值分析；土体固结；地表深陷[中图分类号]TD823．254[文献标识码]B[文章编号]1672_9943(2015)021593固体力学边界：模型的左、右侧为辊支承位移1数值模型的建立边界条件，顶部为自由边界。1．1数值模型范围的确定及网格划分渗流场边界：模型的左右两侧为压力边界，压依据赵固一矿工作面的地表观测数据，选取力梯度为静水压力梯度，顶部为大气压力边界，即地表未受采动影响的位置作为模型的边界，并依Po=O，浅部隔水层底部边界及底部含水层顶底部据该工作面的上覆岩土体及底板岩层的赋存，确边界为无流动边界条件。定模型上部以地表为界，下部

3、以煤层底板破坏深力学及渗流边界条件设定如表1所示。度以下为边界，建立高为525m、宽度为1200m表1边界条件设定的二维模型，模型三角形单元数3577如图1所示。图1模型尺寸及网格划分1．3厚松散层下岩土体参数的选取1_2边界条件的确定结合赵固一矿水文地质资料中钻孑L抽水试验以赵固一矿的水文地质资料为条件，将200m数据，确定了基岩和土体的物理力学参数如表2以下到底部含水层的深部粘土层、煤层和底板作所示。流体参数：水的密度p=l000kg／m；动力粘为固体力学中不参与耦合的部分，而浅部土层和度／*=le4Pa·s；压缩系数a=5e一10Pa-。基

4、岩顶板底部含水层作为流固耦合的耦合部分。表2岩层物理力学参数1．4模型计算值模拟软件实现土体在采动影响下孔隙水压力变以土体固结的数学物理方程为基础，通过数化和土体变形，拟采用三个数值模拟试验方案分160石小刚基于COMSOL的巨厚松散层条件下固结数值分析2015年4月Apr．，2015析采动情况下土体的固结压缩规律及土体固结对顶板含水层的竖直方向上的渗透率为水平方向的地表沉陷的影响⋯。l00倍，以达到模拟导水裂隙带的目的。由于顶板(1)模型一：底部含水层不疏水的情况下，采为坚硬的砂岩，顶板含水层水压达到4．8MPa左动影响下厚松散层内部土体的固结

5、变形。右，但是导水裂隙带发育后水位下降并不会对岩(2)模型二：底部含水层疏水的情况下，采动石造成固结压缩现象。所以，本模型中对于顶板含影响下厚松散层底部含水层的失水固结。水层孔隙压力对应力的作用项的系数设置为非常(3)模型三：不考虑耦合固结的情况下，采动小，即顶板岩层的水压变化不会影响其应力状影响下厚松散层地表移动变形情况。态[。上述三个模拟方案都调用了固体力学solid由于导水裂隙带导通底部含水层，根据首采和达西定律dl模块，前两者是流固耦合，不同的面开采过程中顶板水的排水量，在赵固一矿首采是：模型一采空区顶板上边界的压力边界Po=ogh，面开

6、采过程中由于顶板导水裂隙带的水力疏放，而模型二考虑到由于煤层采出后导水裂隙带造成底部含水层水位下降41．5m左右，也就是说导通底部含水层，造成底部含水层疏水，水压底部含水层采空区上方范围内水压平均下降了降低41．5m的水头压，所以其压力边界Po=pg0．415MPa。受到采动影响后，顶板导水裂隙带发(。．．41．5)；模型三为不耦合状态下的求解，即考虑育至底部含水层，引起含水层失水，取底部含水层松散层土体的采动不受孔隙水压力影响，以及土内特征点的超孔隙水压力、体积应变、竖直位移以体的体积变化不会造成孔隙水压力的扰动。及应力的变化，来说明由于底部含

7、水层疏放引起模型的求解时间为100d，其中每1d为一个的流固耦合土体固结的现象。体积应变随时间变时间步。化曲线如图2所示，孔隙水压力随时间变化曲线1．5计算结果分析如图3所示。1．5．1固结不疏水计算结果分析()125OI】5该模型主要考虑：导水裂隙带未发育至底部()1050095含水层，底部含水层未得到疏放，采动扰动后含水00850075层的孔隙水压力最终达到初始压力。一方面分析00650055厚松散层条件下采动引起的底部含水层和浅部隔0045水层的土体固结现象，另一方面通过此工况条件—10l2345678HGNJ／1f)^s下的模拟来比较底部

8、含水层疏放与未疏放对地表图2体积应变随时间变化曲线下沉的影响[2]。由于顶板含水层的孔隙水压力的4．O6变化对顶板基岩不会造成岩石的固结