蔡慶生，付寶杰

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001）

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有無(wú)承壓水作用下采場(chǎng)底板礦壓顯現(xiàn)特征數(shù)值模擬研究

蔡慶生，付寶杰

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001）

采場(chǎng)底板穩(wěn)定性影響因素很多，其中高承壓水作用是底板隔水層裂隙發(fā)生、發(fā)育、擴(kuò)展及造成底板失穩(wěn)的關(guān)鍵因素之一。我國(guó)華北型礦區(qū)均受石炭二疊紀(jì)煤系底部的太灰、奧灰含水層影響，為此，對(duì)比分析有無(wú)承壓水作用下采場(chǎng)底板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律意義重大。通過(guò)水-巖耦合數(shù)值仿真模擬，分析有無(wú)承壓水作用下底板巖層受力、變形及破壞情況，結(jié)果表明：水-巖耦合作用下，底板隔水層明顯卸載區(qū)范圍增大，承載能力降低，端部破壞裂隙與承壓含水層間水力聯(lián)系趨勢(shì)增強(qiáng)。研究結(jié)果可為承壓水上開(kāi)采底板失穩(wěn)機(jī)理研究提供參考。

水-巖耦合；采場(chǎng)底板；礦壓顯現(xiàn)；穩(wěn)定性

原巖應(yīng)力狀態(tài)下煤層及圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，煤層或巖層的開(kāi)挖，引起應(yīng)力的重新分布，并使之產(chǎn)生變形與破壞。大量理論及實(shí)踐研究表明:順著工作面推進(jìn)方向，煤層底板因受力而產(chǎn)生變形，根據(jù)受力變形特征可以將其劃分為5個(gè)區(qū)，即原巖應(yīng)力區(qū)、壓縮區(qū)、過(guò)渡區(qū)、膨脹卸壓區(qū)以及重新壓實(shí)區(qū)。底板巖層的每個(gè)地方都要經(jīng)受3個(gè)過(guò)程，即 “壓縮—應(yīng)力解除—再壓縮”的過(guò)程。由于這些應(yīng)力的作用導(dǎo)致了底板巖層裂隙率發(fā)生了變化，在底板巖層中產(chǎn)生了層向裂隙、剪切裂隙、豎向張裂隙3種，部分底板巖層由于這些裂隙而喪失了承載能力，破壞了底板巖層結(jié)構(gòu)。巖體在滲流場(chǎng)中，一方面巖體上方受到載荷作用的原因，導(dǎo)致巖體內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，影響了巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引起巖體中水的作用范圍、作用強(qiáng)度以及作用形式發(fā)生改變；另一方面由于工程體出現(xiàn)在巖體內(nèi)，形成的人為干擾下的水滲流場(chǎng)反過(guò)來(lái)又作用于巖體之上，最終巖體的穩(wěn)定性受到影響。無(wú)論哪一個(gè)是主要因素，都會(huì)導(dǎo)致巖體介質(zhì)滲透特性和應(yīng)力狀態(tài)相互影響。

為得出有無(wú)承壓水作用采場(chǎng)底板受力變形特征，本文采用FLAC3D流固耦合計(jì)算模型，對(duì)比分析底板受力、變形及破壞規(guī)律，為承壓水上開(kāi)采底板失穩(wěn)機(jī)理研究提供參考。

1　流固耦合力學(xué)模型［7-8］

FLAC3D模擬軟件適合模擬非線性、大變形問(wèn)題更有效，用此軟件模擬巖體的流固耦合機(jī)理時(shí)，將巖體看作多孔介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)滿足Biot流固耦合方程，其方程為:

式中，λ，G為lame常數(shù)；p為孔隙水壓力；εv為體應(yīng)變；xj，uj，fxj分別為j向坐標(biāo)、位移及體積力；K為滲透系數(shù)；?為拉普拉斯算子；S為彈性釋水系數(shù)。

上式是基于Biot滲流理論的表達(dá)方程式。當(dāng)中?p/?xj反映了滲流場(chǎng)影響到了固體骨架，固體骨架的變形本質(zhì)是由固體骨架的有效應(yīng)力受到流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的孔隙壓力的影響而引起的；?εv/?t項(xiàng)反映了滲流場(chǎng)受到固體骨架體積變形的影響。

2　數(shù)值模型建立與分析

2.1地質(zhì)原型條件

A組煤中A1和A3兩層是淮南礦業(yè)集團(tuán)潘謝礦區(qū)的主采煤層，煤層平均傾角為10°，A1煤層煤厚為1.56～7.77m，平均煤厚為2.8m；A3煤層煤厚為2.09～9.17m，平均煤厚5.8m。兩煤層之間距離為1～5m，局部距離較小合并為一層。奧陶系灰?guī)r和太原組灰?guī)r的強(qiáng)含水層賦存在煤層底板中，其中太原組灰?guī)r水C3（下）為強(qiáng)含水層，距A3煤層底板35.5m處，對(duì)A組煤開(kāi)采具有潛在的水害威脅。C3（下）含水層厚6.3m，最大水壓5.0MPa?？紤]到厚煤層開(kāi)采對(duì)底板破壞較大，A3煤層分層開(kāi)采，上分層層厚3.0m，工作面傾斜長(zhǎng)度120m。A3煤層頂?shù)装甯鲙r層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

2.2應(yīng)力分布規(guī)律

針對(duì)潘謝礦區(qū)A組煤賦存條件，對(duì)比研究采場(chǎng)底板在有無(wú)水壓作用下應(yīng)力分布特征，由圖1分析可知，煤層底板在無(wú)承壓水時(shí)，最大主應(yīng)力隨著與底板距離的增加而呈逐漸增高趨勢(shì)。愈靠近煤層卸載應(yīng)力愈明顯，并隨開(kāi)采范圍的增加，同等應(yīng)力水平所圈定的卸壓區(qū)范圍增大。工作面推進(jìn)40m時(shí)，底板4.2m明顯卸壓區(qū)范圍最大主應(yīng)力-0.1～-0.5MPa；工作面推進(jìn)80m時(shí)，底板4.6m范圍最大主應(yīng)力為0～0.06MPa；推進(jìn)120m時(shí)，底板7.2m范圍最大主應(yīng)力為0～0.1MPa。

圖1　底板無(wú)承壓水時(shí)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布

如圖2所示，底板賦存5MPa承壓水時(shí)，受水-巖耦合作用，煤層開(kāi)采后采場(chǎng)底板亦呈現(xiàn)卸載狀態(tài)，但以含水層為界形成上、下兩個(gè)卸載區(qū)，上部尤其靠近煤層底板區(qū)域卸載明顯，工作面推進(jìn)40m時(shí)，底板4.2m明顯卸壓區(qū)范圍最大主應(yīng)力-0.5～-0.05MPa；工作面推進(jìn) 80m時(shí)，底板8.2m范圍最大主應(yīng)力為0～0.02MPa；推進(jìn)120m時(shí)，底板11.4m范圍最大主應(yīng)力為0～0.07MPa。

為了表現(xiàn)有無(wú)水壓作用下工作面推進(jìn)120m后底板巖層受力特征，分別在靠近切眼位置及采場(chǎng)中間位置布置2條測(cè)線，用以監(jiān)測(cè)由煤層底板開(kāi)始豎直向下65m范圍內(nèi)底板巖層最大主應(yīng)力變化趨勢(shì)。

圖2　底板有承壓水時(shí)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布

圖3　有無(wú)底板水情況下底板最大主應(yīng)力變化曲線

伴隨著煤層開(kāi)采結(jié)束，采空區(qū)上下圍巖均出現(xiàn)不同程度的壓力釋放，采場(chǎng)頂?shù)装逍秹悍秶c開(kāi)采范圍呈正比關(guān)系，底板的最大主應(yīng)力呈一定下降趨勢(shì)，這種趨勢(shì)是循序漸進(jìn)的，應(yīng)力值表現(xiàn)為一條由煤層底板向深部不斷增加的曲線，正如圖3（a）、圖3（b）中2條無(wú)承壓水作用的曲線所示；對(duì)比分析承壓水存在時(shí)采場(chǎng)中部底板應(yīng)力變化規(guī)律，很容易發(fā)現(xiàn)由于采動(dòng)的影響，工作面中部位置測(cè)線在底板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯卸壓，但由于存在含水層，底板應(yīng)力在水-巖耦合作用下又顯著提高，而隨之與底板距離增加應(yīng)力又開(kāi)始下降，底板應(yīng)力呈現(xiàn)由低到高再降低的變化過(guò)程，具體如圖3（b）所示；采場(chǎng)端頭位置豎向測(cè)線在底板一定范圍也會(huì)呈現(xiàn)最大主應(yīng)力由低變高的趨勢(shì)，表現(xiàn)巖層受采動(dòng)破壞影響由不能承載到能承載的過(guò)程，承載集中區(qū)應(yīng)力開(kāi)始下降，下降后由于受水-巖耦合作用又出現(xiàn)上升趨勢(shì)，有無(wú)承壓水作用的2條應(yīng)力曲線隨與煤層距離加大而出現(xiàn)重合狀態(tài)（見(jiàn)圖3（a））。

2.3變形規(guī)律

為對(duì)比分析有無(wú)水-巖耦合作用時(shí)煤層底板變形規(guī)律，在底板3.0m（3煤底板）、7.5m（粉砂巖）、16.2m（砂質(zhì)泥巖）、25.2m（3灰上）布置測(cè)線，得出各層位底板位移變化情況，見(jiàn)圖4。

圖4　工作面長(zhǎng)度120m無(wú)承壓水作用底板變形規(guī)律

由圖4可知，無(wú)承壓水時(shí)，沿工作面推進(jìn)方向底板位移曲線整體呈上凸?fàn)?，最大值出現(xiàn)在工作面中間，而在兩側(cè)實(shí)體煤受采動(dòng)集中應(yīng)力作用，底板巖層受壓撓度為負(fù)。隨工作面推進(jìn)距離的增加，各層位底鼓變形量不斷增大，如底板3.0m處，推進(jìn)40m，80m，120m時(shí)最大底鼓變形量分別為37mm，98mm，200mm。距離煤層越遠(yuǎn)，該層位巖石底鼓變形量越小，如圖4（c）所示，底板3.0m，7.5m，16.2m，25.2m所對(duì)應(yīng)的最大底鼓變形量分別為200mm，198mm，181mm，174mm。整個(gè)底板撓曲線較平滑，說(shuō)明底板沒(méi)有受到采場(chǎng)上覆巖層垮落的影響，底板巖層整體承載性能較好。

與無(wú)承壓水時(shí)底板巖層變形規(guī)律對(duì)比，水-巖耦合作用下，位移曲線整體形態(tài)大體相同。隨工作面推進(jìn)距離的增加，各層位底鼓變形幅度加大，如底板3.0m處，推進(jìn)40m，80m，120m時(shí)最大底鼓變形量分別為40mm，118mm，554mm。開(kāi)采范圍增加到一定程度后，采場(chǎng)頂、底板相互作用顯著，致使靠近煤層底板的煤巖體破壞，承載能力下降，同時(shí)受壓變形量增大，出現(xiàn)底板淺部位移低于其深部巖層位移，如圖5（c）所示，底板3.0m，7.5m所對(duì)應(yīng)的最大底鼓變形量分別為554mm，572mm。底板7.5m以下各巖層撓曲線平滑，說(shuō)明承載性能較好。

圖5　工作面長(zhǎng)120m，水壓5MPa底板變形規(guī)律

2.4塑性區(qū)分布規(guī)律

煤層開(kāi)采后，底板隔水層承載狀態(tài)發(fā)生了變化，由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，采場(chǎng)后方一定范圍內(nèi)靠近煤層底板巖體受拉隨工作面推進(jìn)距離的增加而愈加明顯，當(dāng)巖體抗拉強(qiáng)度不能滿足拉應(yīng)力時(shí)將出現(xiàn)局部拉破壞。而采場(chǎng)兩側(cè)煤壁附近煤層底板隔水層承受的是壓剪作用，壓應(yīng)力隨推進(jìn)距離增加而逐漸升高，導(dǎo)致壓剪作用強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)超出巖體自身強(qiáng)度時(shí)，底板巖體將產(chǎn)生壓剪破壞。

FLAC3D是通過(guò)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則判斷單元是否進(jìn)入塑性變形，但巖層塑性破壞并不能預(yù)示其導(dǎo)水裂隙的形成，本文賦予塑性變形單元應(yīng)變軟化特性［9-10］，并通過(guò)重復(fù)破壞狀態(tài)判斷其是否具備導(dǎo)水能力。無(wú)承壓水作用時(shí)，兩端頭底板8.6m深度范圍出現(xiàn)壓剪破壞，采場(chǎng)底板中部6.6m出現(xiàn)明顯拉破壞；在5MPa水壓作用下，兩端頭底板17.4m深度范圍出現(xiàn)壓剪破壞，采場(chǎng)底板中部5.8m出現(xiàn)明顯拉破壞。對(duì)比可知，水-巖耦合作用使得底板破壞范圍增加，破壞程度加大，破壞裂隙與承壓含水層間水力聯(lián)系趨勢(shì)增強(qiáng)，如圖6所示。

圖6　塑性分布規(guī)律

3　結(jié) 論

（1）煤層開(kāi)采后采場(chǎng)底板亦呈現(xiàn)卸載狀態(tài)，承壓水存在時(shí)，以含水層為界形成上、下兩個(gè)卸載區(qū)，上部靠近煤層底板區(qū)域卸載明顯。

（2）對(duì)有無(wú)承壓水作用下工作面底板端頭位置、中間位置受力情況進(jìn)行對(duì)比分析表明，在承壓水含水層附近，無(wú)水壓作用時(shí)底板應(yīng)力低于有水壓作用；中間位置呈現(xiàn)一次波峰變化形態(tài)，而端部高出的應(yīng)力呈現(xiàn)2次波峰變化形態(tài)。

（3）受水-巖耦合作用，同層位底鼓變形量較無(wú)承壓水作用時(shí)要大，且隨開(kāi)采范圍增加變形幅度增大。隨采場(chǎng)頂、底板相互作用增強(qiáng)，底板破壞煤巖體承載能力下降，受壓變形量增加，底板淺部位移較深部巖層位移量小。

（4）水-巖耦合作用使得底板破壞范圍增加，破壞程度加大，破壞裂隙與承壓含水層間水力聯(lián)系趨勢(shì)增強(qiáng)。

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［責(zé)任編輯：潘俊鋒］

Numerical Simulation Studying of Stope Floor Pressure Behavior under Confined Aquifer or Not

CAI Qing-sheng，F(xiàn)U Bao-jie
（Energy and Safety School，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China）

The stability of stope floor is influenced by many factors，and high confined aquifer is the one key elements that induced fractures development in floor water-resisting layer and floor broken.All mine district of North China in home are influenced by Taiyuan limestone aquifer and Ordovician limestone aquifer，which located in bottom of Carbono-Permian coal series.So the stope floor pressure behavior under confined aquifer or not is important.According water-solid coupling numerical simulation，the stress state in floor，deformation and broken under confined aquifer or not was analyzed，the results showed that the unloading zone scope of floor water-resisting layer increased under water-solid coupling action，but loading capacity decreased，connection trend increased between end region broken fractures and confined aquifer.The results reference for instability principle studying of mining upper the confined aquifer.

water-solid coupling；stope floor；pressure behavior；stability

TD823.83

A

1006-6225（2016）04-0115-04

2016-01-18

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.029

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51574007，51421003）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（SKLGDUEK1509）

蔡慶生（1987-），男，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，在讀研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

［引用格式］蔡慶生，付寶杰.有無(wú)承壓水作用下采場(chǎng)底板礦壓顯現(xiàn)特征數(shù)值模擬研究［J］.煤礦開(kāi)采，2016，21（4）：115-118，137.