李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，陳逸飛，王迎新，葛如濤，彭智宏

考慮覆巖原生裂隙的導水裂隙帶模擬

李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，陳逸飛，王迎新，葛如濤，彭智宏

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009)

導水裂隙帶高度的確定對松散承壓含水層下煤礦安全開采和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。以往根據(jù)塑性區(qū)判斷導水裂隙帶范圍的數(shù)值模擬方法不能完全反映覆巖的破斷機制。為了更準確地預測導水裂隙帶發(fā)育高度，應用斷裂力學方法，將裂紋尖端K場區(qū)內(nèi)的應力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準則結合，提出了原生裂隙存在時的巖石斷裂準則。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙場分布，并通過有限元分析軟件COMSOL Multiphysics將原生裂隙場和巖石斷裂準則應用到導水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，對淮北煤田青東煤礦的839工作面開采進行了模擬計算。結果顯示，考慮原生裂隙時，導水裂隙帶在貫通后高度達到92.5 m。與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬結果與現(xiàn)場測量結果更為接近。這說明，采用自仿射分形模型所生成的裂隙場可以較好地模擬巖體內(nèi)復雜而無序的原生裂隙分布，且與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬方法能夠更好地反映導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

導水裂隙帶；原生裂隙；自仿射分形；數(shù)值模擬；青東煤礦

我國目前對煤炭的需求仍較高[1]。在松散承壓含水層下的煤炭開采過程中，松散層地下水體常通過導水裂隙帶涌入采空區(qū)，引發(fā)嚴重的頂板壓架與突水事故，造成生命財產(chǎn)的損失[2-4]。在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱與半干旱地區(qū)，水體下采煤更是造成地下水水位下降、水體污染、河流干涸、土地荒漠化、地面塌陷等嚴重后果，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的損害[5-6]。導水裂隙帶是地下水和地表水體進入采空區(qū)和回采工作面的主要通道，因此，探明煤層開采上覆巖層破壞變形特征及導水裂隙帶發(fā)育高度對松散承壓含水層下煤層安全開采和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有極其重要的意義。

煤炭開采勢必會打破采空區(qū)上部覆巖的天然應力狀態(tài)，產(chǎn)生應力集中，導致巖層的移動與破斷[7]。目前，松散承壓含水層下煤層頂板突水的相關研究主要基于“上三帶”理論，即根據(jù)變形與水力特性把上覆巖層劃分為垮落帶、導水裂隙帶和彎曲下沉帶，認為垮落帶和導水裂隙帶可以作為導水的通道[8]。在此基礎上，許家林等[9]就覆巖主關鍵層位置對導水裂隙帶發(fā)育影響進行了理論分析與試驗研究，發(fā)現(xiàn)導水裂隙帶高度主要受關鍵層控制，一旦主關鍵層破斷將引起其上部所有巖層直至地表的整體破斷和移動。為準確有效地預測導水裂隙帶高度，國內(nèi)外研究者采用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式、物理相似材料模擬、回歸分析等方法對覆巖破壞的發(fā)展規(guī)律進行了卓有成效的探討[10-12]，其中，數(shù)值模擬方法以其直觀性強，求解速度快和準確度較高的優(yōu)點，受到越來越多研究者的重視。陳陸望等[13]通過離散元程序UDEC對厚松散層及超薄覆巖條件下的覆巖破壞特征進行模擬計算，得到垮落帶和導水裂隙帶高度與放采比的關系；李劍[14]采用有限元分析軟件ABAQUS對矸石充填采煤覆巖導水裂隙演變規(guī)律進行數(shù)值模擬，確定含水層下開采需要的充實率指標。上述對導水裂隙帶的模擬研究大多將同一巖層視為均質(zhì)材料，認為巖石在進入塑性狀態(tài)后發(fā)生斷裂，并以模擬過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)作為導水裂隙帶。

然而，天然巖體中存在著大量的原生微裂隙與裂紋。在荷載作用下，將在裂隙尖端產(chǎn)生應力集中，從而導致原有裂隙的張開、滑移、分支拓展和貫通破壞[15]。為研究微裂隙對巖石力學性質(zhì)的影響，謝和平等[16]研究了巖石材料損傷演化過程中的統(tǒng)計自相似性，采用分形維數(shù)考察砂巖在單軸壓縮下的裂隙發(fā)育特征；李新平等[17]通過凍融循環(huán)試驗探討裂隙巖體在凍融和荷載耦合作用下的破壞機制。這些研究表明，在原生裂隙存在時，巖石材料受力產(chǎn)生的將是裂隙的發(fā)育而非整體的塑性形變。因此，在導水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，將巖石視為均質(zhì)材料，僅僅采用彈塑性分析方法并不能完全反映覆巖的破壞機理。

本文從斷裂力學角度來研究覆巖破壞，將K場區(qū)內(nèi)的應力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準則結合，推導微裂隙存在時的巖石斷裂準則。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙場分布，并通過有限元分析軟件COMSOL Multiphysics將原生裂隙場和巖石斷裂準則應用到導水裂隙帶發(fā)育的數(shù)值模擬中，對淮北煤田青東煤礦的839工作面開采進行模擬計算。將考慮原生裂隙的模擬結果與傳統(tǒng)模擬結果、經(jīng)驗公式計算結果和現(xiàn)場觀測結果進行對比，驗證該模擬方法的適用性。

1 覆巖斷裂準則

導水裂隙帶的形成伴隨著巖層的破斷運移及巖體應力的重新分布。在這個過程中，出現(xiàn)了壓剪和拉張2種成因的導水裂隙(圖1)，其中拉張裂隙集中在采空區(qū)上方與開采邊界，而壓剪裂隙多分布于開采邊界外側的煤巖體中[18]。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法多用“塑性區(qū)”法確定導水裂隙帶范圍，采用經(jīng)典的摩爾–庫倫屈服準則來判斷是否發(fā)生壓剪破壞。當剪應力達到黏聚力與內(nèi)摩擦力之和時，材料進入塑性狀態(tài)，即：

式中：為巖石的黏聚力；為巖石的內(nèi)摩擦角；、分別為滑移面上的正應力與切應力。

當巖石受拉時，采用巖石材料抗拉強度來判斷巖體是否發(fā)生拉張破壞：

式中：σt為巖石材料的抗拉強度。

“塑性區(qū)”法認為，巖石材料中產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域即為導水裂隙發(fā)育區(qū)。然而，天然狀態(tài)下的巖石材料大量分布著微裂紋、微缺陷和微損傷。在外界荷載的作用下，裂紋尖端產(chǎn)生應力集中。當尖端積累的彈性應變能達到新增面積的表面自由能時，裂紋會在尖端不斷擴展、連通，直至產(chǎn)生貫通的斷裂面。需要指出的是，巖體中的裂隙網(wǎng)絡才是地下水的主要通道，因此，在涉及到水力導通的研究中，斷裂區(qū)域比塑性區(qū)域更適合用于判斷導水裂隙的發(fā)育范圍。

目前，裂紋尖端的應力場區(qū)(K場區(qū))內(nèi)的應力強度因子斷裂判據(jù)被廣泛用于巖石材料的裂紋擴展判斷。對于平面問題的Ⅰ型(張開型)和Ⅱ型(滑移型)裂紋(圖2)，當應力強度因子大于其相應的斷裂韌度ⅠC、ⅡC時，材料即產(chǎn)生斷裂。巖石內(nèi)部裂紋尖端的Ⅰ、Ⅱ型應力強度因子的表達式[19]為：

式中：Ⅰ、Ⅱ為內(nèi)部裂紋尖端的序號、序號型應力強度因子與按無限體計算的序號、序號型應力強度因子的比值；為裂隙半長。

圖2 Ⅰ、Ⅱ型(張開型與滑移型)裂紋

對于巖石材料，在不考慮裂紋方向產(chǎn)生的影響時，根據(jù)式(3)可推導出有原生裂隙存在時的巖體抗拉強度：

將式(5)代入式(2)，可以得到考慮原生裂隙影響的巖體拉張斷裂判據(jù)：

由于序號型裂紋為純剪切狀態(tài)，法向應力=0、在這種情況下，由式(1)可得到巖體所能承受的最大剪應力：

根據(jù)式(4)推導出純剪切狀態(tài)時，有原生裂隙存在時的巖體所能承受的最大剪應力：

聯(lián)立式(1)、式(7)—式(8)，將摩爾–庫倫屈服準則中的黏聚力定義為斷裂參數(shù)，得到考慮原生裂隙的巖體壓剪斷裂判據(jù)：

在不考慮韌性斷裂特征時，結合式(6)與式(9)，可以得到覆巖的剪切與拉張斷裂判據(jù)。

2 導水裂隙帶數(shù)值模擬

2.1 工作面概況與模型建立

淮北煤田青東煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣臨渙鎮(zhèn)，礦井面積51.729 1 km2，采用立井多水平、主要大巷開拓方式，分區(qū)石門布置，回采工藝設計以綜采、綜放為主。839工作面位于3采區(qū)東部，上覆平均厚度為246.03 m的松散層，其中包含有4個承壓含水層，底部含水層對開采威脅較大。主采煤層8煤賦存于二疊系下石盒子組，煤層傾角為21°，頂板以砂巖和泥巖互層為主。將模型簡化為水平開采，根據(jù)工作面附近的鉆孔柱狀圖，建立沿走向的工作面地層模型如圖3所示。模型尺寸為500 m×160 m，模型方案[20]與材料參數(shù)見表1。模擬開采長度200 m，采高6.5 m，工作面每次推進40 m，兩邊留設150 m的煤柱以消除邊界影響，模擬總厚度為160 m，在模型頂部施加有3 MPa的上覆松散層自重應力。

2.2 建立原生裂隙場

不同尺度下隨機分布的微觀孔隙與裂紋使天然巖體成為一種極其復雜的材料，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學與離散介質(zhì)力學理論均無法很好地描述巖體的材料特性，而單個裂紋的力學計算也無法直接應用到大尺度巖層中[21]?；谶@種考慮，一些學者將分形幾何學方法引入巖石力學領域，對巖體裂隙的分形特征進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)自仿射分形模型可以較好地模擬巖體內(nèi)的裂隙分布[21-22]。參照這種方法，借助分形布朗函數(shù)生成一組具有分形特征的曲面，公式如下:

結合式(10)與式(11)，利用Matlab生成并調(diào)整隙長數(shù)據(jù)，最終得到平均裂隙長為1.104 mm的一組原生裂隙場(圖4)。利用不同位置處的裂隙長度可以得到整個區(qū)域內(nèi)的斷裂參數(shù)，從而實現(xiàn)大尺度上的斷裂分析。

2.3 原生裂隙場的導入與模型求解

有限元分析軟件COMSOL Multiphysics擁有大量預定義的物理應用模式，范圍涵蓋結構力學、聲學、熱傳導等多種物理場，在多物理場耦合模擬方面有著獨到的優(yōu)勢。在COMSOL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項及邊界條件等可以是常數(shù)、函數(shù)、邏輯表達式或直接是一個代表實測數(shù)據(jù)的插值函數(shù)。因此，可以將原生裂隙場以插值函數(shù)的形式導入模型，在定義材料屬性時調(diào)用此插值函數(shù)，從而實現(xiàn)對隨機分布的原生裂隙場的模擬。

為了實現(xiàn)對覆巖斷裂的仿真模擬計算，選用COMSOL 5.5版本的固體力學模塊進行建模分析。本文所提出的覆巖斷裂準則，實際上可以視為利用原生裂隙場的隙長數(shù)據(jù)對材料抗拉強度和摩爾–庫倫準則的黏聚力參數(shù)進行的重新定義。因此，可在COMSOL中以表示式(6)、式(9)定義變量，并將原生裂隙長度和各層巖體的強度因子代入變量。在輸入材料參數(shù)時調(diào)用此變量，從而計算各個位置的黏聚力和抗拉強度。在幾何建模中，參照地層模型，建立尺寸為500 m×160 m的二維幾何模型，并將其劃分為9 007個三角形單元。在模型底部邊界施加固定約束，頂部邊界施加3 MPa的垂向荷載，兩側邊界施加錕支撐約束；最后通過MMPS求解器對覆巖斷裂過程進行穩(wěn)態(tài)求解。

圖4 原生裂隙長度分布

2.4 模擬結果與討論

2.4.1 斷裂區(qū)域分析

模型開采過程中的覆巖斷裂區(qū)發(fā)育規(guī)律如圖5所示。在工作面推進40 m后，覆巖斷裂區(qū)域主要分布在開切眼和煤壁附近，拉裂區(qū)域和剪裂區(qū)域發(fā)育至采空區(qū)上方1.5 m處的薄層泥巖層中，說明此時偽頂和直接頂已發(fā)生垮落。在邊界外側，頂板上方64.5~80.5 m處的兩層薄層粉砂巖中也開始發(fā)育分散的壓剪斷裂區(qū)。在工作面推進80 m后，垮落帶發(fā)育至采空區(qū)上方11.5 m處的細砂巖層。在工作面推進120 m后，開采邊界外側巖體中開始發(fā)育零星壓剪斷裂區(qū)，主要集中在薄層的泥巖層中，采空區(qū)上方的垮落帶發(fā)育至22.5 m處。在工作面推進至160 m時，導水裂隙分布開始呈現(xiàn)兩側高、中間低的馬鞍狀，采空區(qū)上方的垮落帶停止向上發(fā)育，采空區(qū)兩側零星分布的斷裂區(qū)被導通，導水裂隙帶高度達到82 m。在工作面推進至200 m時，導水裂隙帶整體導通，兩側的斷裂區(qū)域基本停止向上發(fā)育，導水裂隙帶高度確定在92.5 m。

除兩層低韌度粉砂巖外，模擬所產(chǎn)生的斷裂區(qū)域基本呈兩側高，中間低的馬鞍狀。拉裂區(qū)分布在采空區(qū)上方和開采邊界上方，剪裂區(qū)主要分布在邊界外側，這符合導水裂隙帶的典型特征。與傳統(tǒng)方法自下而上的發(fā)育規(guī)律不同[20]，考慮原生裂隙的導水裂隙發(fā)育更為隨機和離散。斷裂區(qū)域從整個影響范圍內(nèi)的薄層泥巖、粉砂巖巖層開始產(chǎn)生，但直到個別巖層發(fā)生貫通斷裂時，整個導水裂隙帶才產(chǎn)生導通。這是由于相對低韌度的薄層泥巖、粉砂巖巖層在原生裂隙隙長較大處將極易產(chǎn)生破斷，其中的斷裂發(fā)育受原生裂隙影響更為強烈，更容易形成未貫通的散布斷裂區(qū)。

圖5 不同推進距離煤層覆巖斷裂區(qū)域云圖

總的來說，考慮原生裂隙的模擬方法充分考慮了巖石材料中隨機分布的微裂隙、微裂紋的影響，更加符合導水裂隙帶的實際發(fā)育機理。

2.4.2 應力場與垂向位移分析

工作面推進160、200 m時的Von Mises應力云圖如圖6所示。應力集中主要出現(xiàn)在采空區(qū)外側，尤其是開切眼和煤壁附近，卸荷區(qū)主要出現(xiàn)在采空區(qū)上方且范圍隨高度增加而減小，應力場分布特征與斷裂區(qū)域發(fā)育特征相一致。在160~200 m開采中，應力集中區(qū)和卸荷區(qū)主要在水平方向上延伸，基本停止向上擴展，說明此時導水裂隙已經(jīng)失去繼續(xù)向上發(fā)育的能力，導水裂隙帶高度達到最大值。

圖6 工作面推進160、200 m的覆巖Von Mises應力云圖

工作面推進至200 m處的垂向位移云圖如圖7所示，覆巖位移基本呈對稱分布，在采空區(qū)中部達到峰值。較大的位移集中在采空區(qū)上方，最大位移量已達114 mm，證明頂板處發(fā)生嚴重垮落。垂直位移等值線在開采邊界外側較為密集，表明在邊界外側覆巖沉降量變化劇烈，在同一巖層中位移的不協(xié)調(diào)導致該區(qū)域產(chǎn)生較強的剪應力。采空區(qū)上方的等值線分布較為均勻，說明垮落區(qū)已進行充分的壓實，未有離層出現(xiàn)，也間接說明此時導水裂隙帶已經(jīng)停止向上發(fā)育。

綜合上述斷裂區(qū)、應力場和位移場分析，可以得到如下結論：隨著工作面的推進，采空區(qū)上方和邊界外側產(chǎn)生卸荷和應力集中；斷裂首先在韌度較低的薄層粉砂巖與泥巖層內(nèi)發(fā)育，最終整體導通形成導水裂隙帶；在開采至200 m時，隔水巖層被全部貫通，垮落帶經(jīng)充分壓實，斷裂區(qū)域停止向上發(fā)展，導水裂隙帶高度最終發(fā)育至92.5 m。

圖7 工作面推進至200 m處的垂向位移云圖

3 方法對照

采用離散元分析軟件3DEC對該工作面進行傳統(tǒng)數(shù)值模擬工作，求取開采后覆巖內(nèi)塑性區(qū)分布。結果顯示，在相同地質(zhì)條件下，導水裂隙帶高度為77.2 m，裂采比為11.88。此外，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(2017年版)，經(jīng)驗公式法也可用于導水裂隙帶高度估計。在本工況下，采用中硬巖性計算公式：

式中：li為導水裂隙帶高度，m；為煤層采高，m。采高6.5 m時，導水裂隙帶計算高度為60.99 m。

導水裂隙帶的現(xiàn)場測量主要利用物探、鉆探等手段，通過覆巖導水能力、破壞形態(tài)、物理參數(shù)的變化確定導水裂隙帶發(fā)育高度。其中，鉆孔沖洗液漏失量觀測法通過測定鉆孔沖洗液在鉆進過程中遇到導水裂隙而引起的消耗量變化來判定“兩帶”高度，可以直接反映覆巖導水能力；彩色電視成像則可更直觀地獲取覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況。根據(jù)前期研究，采用沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視觀測所得到的導水裂隙帶高度分別為89.21 m和91.10 m[20]。

從以上數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式和現(xiàn)場測量的結果來看(表2)，考慮原生裂隙的模擬結果與現(xiàn)場測量的導水裂隙帶高度和裂采比最為接近，模擬結果數(shù)值略高，考慮是由于原生裂隙導致覆巖物理力學性質(zhì)出現(xiàn)非均質(zhì)性，進而影響導水裂隙帶的發(fā)育高度，但具體機理還需進一步深入研究。傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法所得到的裂采比比實際情況更低，而經(jīng)驗公式法計算結果的誤差更大，2種方法對導水裂隙帶發(fā)育的危險性估計不足。因此，考慮原生裂隙的模擬方法能夠更好地反映導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。

表2 導水裂隙帶實測與預計研究結果

4 結論

a.將K場區(qū)內(nèi)的應力強度因子斷裂判據(jù)與摩爾–庫倫屈服準則結合，推導原生裂隙存在時的巖石斷裂準則。

b.采用自仿射分形模型所生成的裂隙場可較好地模擬巖體內(nèi)復雜而無序的原生裂隙分布，從而實現(xiàn)在整個巖層尺度上的斷裂分析。

c.斷裂區(qū)域首先在煤系巖層和上覆薄層泥巖、粉砂巖層中發(fā)育，整體貫通后導水裂隙帶發(fā)育高度達到92.5 m。

d.與傳統(tǒng)數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法相比，考慮原生裂隙的模擬結果與現(xiàn)場測量的導水裂隙帶高度和裂采比更為接近，能更好地反映導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律，但其影響的具體機理還需進一步研究。

[1] GUO Wenbing，ZHAO Gaobo，LOU Gaozhong，et al. A new method of predicting the height of the fractured water-conducting zone due to high-Intensity longwall coal mining in China[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2019，52(8)：2789–2802.

[2] LIU Yu，LIU Qimeng，LI Wenping，et al. Height of water-conducting fractured zone in coal mining in the soil-rock composite structure overburdens[J]. Environmental Earth Sciences，2019，78：242.

[3] LAMOREAUX J W，WU Qiang，ZHOU Wanfang. New development in theory and practice in mine water control in China[J]. Carbonates and Evaporites，2014，29(2)：141–145.

[4] 王虎，岳建華，姜志海，等. 逐階段安全提高巨厚松散含水層下煤層開采上限研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(6)：61–63. WANG Hu，YUE Jianhua，JIANG Zhihai，et al. Safely improving by stage the upper limit under extremely thick loose aquifer[J]. Coal Geology & Exploration，2013，41(6)：61–63.

[5] 裴文明，張慧，鞠昌華，等. 基于韋伯–費希納定律的淮南采煤沉陷水域水環(huán)境綜合預警評價[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：1–7. PEI Wenming，ZHANG Hui，JU Changhua，et al. Water environment comprehensive forewarning for waterlogged area in Huainan based on Weber-Fechner law[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：1–7.

[6] NAN Zhou，MENG Li，ZHANG Jixiong，et al. Roadway backfill method to prevent geohazards induced by room and pillar mining：A case study in Changxing coal mine，China[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences，2016，16(12)：2473–2484.

[7] 劉英鋒，王世東，王曉蕾. 深埋特厚煤層綜放開采覆巖導水裂縫帶發(fā)育特征[J]. 煤炭學報，2014，39(10)：1970–1976. LIU Yingfeng，WANG Shidong，WANG Xiaolei. Development characteristics of water flowing fractured zone of overburden deep buried extra thick coal seam and fully-mechanized caving mining[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(10)：1970–1976.

[8] MIAO Xiexing，CUI Ximin，WANG Jinan，et al. The height of fractured water-conducting zone in undermined rock strata[J]. Engineering Geology，2011，120：32–39.

[9] 許家林，王曉振，劉文濤，等. 覆巖主關鍵層位置對導水裂隙帶高度的影響[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28(2)：380–385. XU Jialin，WANG Xiaozhen，LIU Wentao，et al. Effects of primary key stratum location on height of water flowing fracture zone[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2)：380–385.

[10] ZHAO Dekang，WU Qiang. An approach to predict the height of fractured water-conducting zone of coal roof strata using random forest regression[J]. Scientific Reports，2018，8：10986.

[11] LI Sheng，F(xiàn)AN Chaojun，LUO Mingkun，et al. Structure and deformation measurements of shallow overburden during top coal caving longwall mining[J]. International Journal of Mining Science and Technology，2017，27(6)：1081–1085.

[12] 王世東，謝偉，羅利卜. 霍洛灣煤礦22101工作面頂板兩帶發(fā)育規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(3)：38–40.WANG Shidong，XIE Wei，LUO Libo. Developmental rules of the hydraulic fractured zone of working face 22101 in Huoluowan coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2009，37(3)：38–40.

[13] 陳陸望，桂和榮，李一帆. UDEC模擬厚松散層及超薄覆巖條件下開采防水煤柱覆巖突水可能性[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(1)：53–56. CHEN Luwang，GUI Herong，LI Yifan. UDEC simulation of water inrush possibility of mining in waterproof coal pillar under the thick loose layer and ultra-thin overburden[J]. Hydrogeology & Engineering Geology，2007，34(1)：53–56.

[14] 李劍. 含水層下矸石充填采煤覆巖導水裂隙演化機理及控制研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2013. LI Jian. Evolution mechanism and control of water-flowing fracture with gangue backfill under aquifer in coal mines[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2013.

[15] 趙先濤. 重慶地區(qū)典型巖石損傷斷裂特性實驗研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2015. ZHAO Xiantao. Testing study on damage and fracture properties of typical rock in Chongqing[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2015.

[16] 謝和平，高峰. 巖石類材料損傷演化的分形特征[J]. 巖石力學與工程學報，1991，10(1)：74–82. XIE Heping，GAO Feng. Fractal nature on damage evolution of rock materials[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1991，10(1)：74–82.

[17] 李新平，路亞妮，王仰君. 凍融荷載耦合作用下單裂隙巖體損傷模型研究[J]. 巖石力學與工程學報，2013，32(11)：2307–2315. LI Xinping，LU Yani，WANG Yangjun. Research on damage model of single jointed rock masses under coupling action of freeze-thaw and loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(11)：2307–2315.

[18] 曹志國，鞠金峰，許家林. 采動覆巖導水裂隙主通道分布模型及其水流動特性[J]. 煤炭學報，2019，44(12)：3719–3728. CAO Zhiguo，JU Jinfeng，XU Jialin. Distribution model of water-conducted fracture main channel and its flow characteristics[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(12)：3719–3728.

[19] 任利，謝和平，謝凌志，等. 基于斷裂力學的裂隙巖體強度分析初探[J]. 工程力學，2013，30(2)：156–162. REN Li，XIE Heping，XIE Lingzhi，et al. Preliminary study on strength of cracked rock specimen based on fracture mechanics[J]. Engineering Mechanics，2013，30(2)：156–162.

[20] 仝騰.淮北青東礦厚松散含水層下綜放開采安全煤巖柱留設研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2019. TONG Teng. Study on safety pillars in fully mechanized caving mining under thick and loose aquifer in Qingdong Coal Mine of Huaibei[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2019.

[21] 謝和平. 分形：巖石力學導論[M]. 北京：科學出版社，1996. XIE Heping. Fractal：An introduction to rock mechanics[M]. Beijing：Science Press，1996.

[22] 王錦國，周志芳. 基于分形理論的裂隙巖體地下水溶質(zhì)運移模擬[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(8)：1358–1362. WANG Jinguo，ZHOU Zhifang. Simulation on solute transport in fractured rocks based on fractal theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(8)：1358–1362.

[23] LEE Y H，CARR J R，BARR D J，et al. The fractal dimension as a measure of the roughness of rock discontinuity profiles[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1990，27(6)：453–464.

Numerical simulation of fractured water-conducting zone by considering native fractures in overlying rocks

LI Ruirui, CHEN Luwang, OU Qinghua, CHEN Yifei, WANG Yingxin, GE Rutao, PENG Zhihong

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The height of the fractured water-conducting zone(FWCZ) is vital to the mine safety and the ecological environment protection of the mining areas. Previous numerical simulation method which judge the range of the fractured water-conducting zone through plastic zone can not fully reflect the failure mechanism of overburden. In order to predict the height of FWCZ more accurately, the fracture criterion of rock in the presence of native fracture is proposed by combining the fracture criterion of stress intensity factor with the Mohr-Coulomb yielding criterion. Native fracture field was constructed with self-affine fractal model and the finite element analysis software COMSOL Multiphysics was utilized to apply the native fracture field and the rock fracture criterion to the numerical simulation of the FWCZ’s development in Qingdong Coal Mine. The results show that the height of FWCZ reaches 92.5 m when considering the native fractures. In contrast with the traditional "plastic zone" method and empirical formula method, the ratio of the height of the FWCZ to the mining height in the proposed method is closer to the field measured value, indicating that the fracture field generated by the self-affine fractal model can appropriately simulate the complex and disordered distribution of native fractures in rock mass. Therefore, the proposed method could better reflect the development mechanism of fractured water-conducting zone.

fractured water-conducting zone; native fracture field; self-affine fractal; numerical simulation; Qingdong Coal Mine

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TD 313

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.024

1001-1986(2020)06-0179-07

2020-07-24；

2020-09-30

國家自然科學基金面上項目(41972256)

National Natural Science Foundation of China(41972256)

李蕊瑞，1996年生，男，河南南陽人，碩士，從事煤礦水害防治和水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究工作. E-mail：rruili1@163.com

陳陸望，1973年生，男，湖北蘄春人，博士，教授，博士生導師，從事煤礦水害防治和水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究工作. E-mail：luwangchen8888@163.com

李蕊瑞，陳陸望，歐慶華，等. 考慮覆巖原生裂隙的導水裂隙帶模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：179–185.

LI Ruirui，CHEN Luwang，OU Qinghua，et al. Numerical simulation of fractured water-conducting zone by considering native fracturs in overlaying rocks[J]. Coal Geology & Exploration, 2020, 48(6)：179–185.

(責任編輯 周建軍)