煤矿顶板突水事故数值模拟分析.pdf

第 2 9卷增刊 2 0 0 4年 l 0月 煤 炭 学 报 J 0URN AL OF CHI NA C0AL S OCI ET Y Vo 1 ． 2 9 S u p ． 0c t ． 2 o 4 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 4 S O一 0 0 2 0 0 5 煤矿顶板突水事故数值模拟分析 张后全 一 ， 杨天鸿 ， 唐春安 ， 刘俊杰 ， 赵德深 ， 冯启言 1 ．大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心， 辽宁 大连1 1 6 6 2 2 ；2 ． 东北大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4 ；3 ．中国 矿业大学 资源与环境工程学院 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心 C R I S R 自主开发的 F R F P A 渗流与应力耦 合分析系统，对煤层顶板随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通 ，进 而导致煤层项板突水的全过程进行了数值模拟，直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及突 水前后渗流场的变化情况，阐明了煤矿顶板 突水事故通常由采动裂隙引起的突水机理．当垮落带 与裂隙高度没有达到含水层高度时发生顶板突水的可能性较小，反之亦然． 因此准确确定煤层顶 板垮落带和断裂带高度，对于进一步确定煤层开采深度上限，合理留设防水煤柱具有重要的意 义 ． 关键词顶板突水；数值模拟 ；采动裂隙 中图分类号T D 7 4 5 文献标识码A Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n r o o f a c c i d e n t o f wa t e r b u r s t Z H A N G H o u q u a n ， Y A N G T i a n h o n g ， T A N G C h u n ． a n ’ ， L I U J u n -j i e ， Z H A O D e s h e n ’ ， F E N G Q i y a n 1 R e s e a r c h C e n t e r f o r N u m e r i c a l T e s t s o n M a t e r i a l F a i l u r e ， D a l i a n U n i v e r s i t y ， D a l ia n 1 1 6 6 2 2 ， C h i n a ； 2 ． C e n t e r f o r R o c k I n s t a b i l i t y a n d S e i s m i c i t y R e - s e a r c h ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S hen y a n g 1 1 0 0 0 4 ， C h i na； 3 I ns t i t u t e o fR e s o u r c e E n v i r o n men t E n g i n e e r i n g 。 C h i na U n i ve r s i t y o f Mi n i n g a nd T e c h n o l - o g y， Xu ． z h o u 2 2 1 0 0 8，C h i na Ab s t r a c t T h e wh o l e p r o c e s s o f r o o f wa t e r b u r s t ，wh i c h r e s u l t s f r o m e x c a v a t e d c r a c k s g r o wi n g u p wa r d s a n d e x t e n d i n g i n t o a q u i f e r d u rin g t h e c o u r s e o f c o a l mi n i n g s t e p b y s t e p，wh i c h wi l l f u r t h e r r e s u l t i n r o o f wa t e r b u rst ，wa s s i mu l a t e d b y c o u p l i n g s y s t e m o f fl o w a n d s o l i d i n r o c k f a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s FR F P A 功 ， w h i c h w a s d e v e l o p e d b y t h e C e n t e r f o r R o c k I n s t a b il it y a n d S e i s m i c i t y R e s e a r c h C R I S R o f N o rt h e a s t e r n U n i v e rs i t y ． T h e r e s u l t s v i s u a l l y s h o we d t h a t t h e d e f o r ma t i o n，f a i l u r e p r o c e s s o f r o c k s t r a t a o v e r l y i n g s t o p e a n d s e e p a g e fi e l d c h a n g e b e f o r e a n d a f - t e r wa t e r b u r s t ． I t c l a rifi e d t h a t t h e me c h a n i s m o f r o o f a c c i d e n t o f wa t e r b u rst ，wh i c h u s u a l l y r e s u l t s f r o m c r a c k s i n d u c e d b y c o a l mi n i n g ． I t i s u n l i k e l y t h a t r o o f a c c i d e n t o f wa t e r b u r s t wo u l d h a p p e n wh e n t h e t o t al h e i g h t o f c a v i n g z o n e a n d f r a c t u r e d z o n e d i d n ’ t c o me t o t h e h e i g h t o f a q u i f e r ，a n d v i c e v e rsa ． C o n s e q u e n t l y，c o r r e c t d e t e rm i n a t i o n o f c a v i n g z o n e a n d f r a c t u r e d z o n e i n r o o f r o c k i s v e r y i mp o rta n t for d e s i g n i n g u p p e r l i mi t o f c o al e x t r a c t i o n h e i g h t a n d r a t i o n a l l y l e a v i n g c o a l p i l l a r o f w a t e r b u rst p r e v e n t i o n i n t h e f u rth e r p r o c e s s 。 Ke y wo r d s w a t e r b u rst o f r o o f ；n u me ri c a l s i mu l a t i o n；c r a c k s i n d u c e d b y c o a l mi n i n g 由于受埋藏深度和赋存条件的限制 ，我国许多煤田水文地质条件十分复杂 ，煤矿生产安全一直受到水 灾害威胁．在我国煤矿水害史上 ，曾发生过百余起重大突水淹井事故 ，其 中有不少案例属顶板突水引起． 收稿日期2 0 0 4 0 2 1 8 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 2 0 4 0 0 3 ，5 0 1 3 4 0 4 0 作者简介张后全 1 9 7 9一 ，男，四川邻水人 ，硕士研究生．T e l 0 4 1 l 一 7 4 0 3 5 8 4 ，E m a i l 5 2 z h q 1 6 3 ． c o m 维普资讯 增刊 张后全等 煤矿顶板突水事故数值模拟分析 2 l 随着煤炭储量的渐趋匮乏 ，煤炭开采逐渐向深部发展 ，灾害性突水问题 日趋严重⋯．水害作为危及煤矿 安全生产的五大灾害之一 ，从人身安全问题到直接的经济损失 ，严重地影响了国家可持续发展战略的实 施．因此，对煤矿顶板突水事故的研究具有重要的意义． 我国许多科学工作者对煤矿顶板突水事故作过大量的研究 ，在突水机理、预测预报 、防治技术等方面 取得了一些突破性进展，先后用红外测温技术 、直流电法 、等效数值法、光度滴定法等技术与方法来判定 突水潜在危险区，并开发出了相关数值模拟软件与分析系统 ，提出了钻孔放水法、预采疏放法等防治技 术 ] ．归纳起来，先前主要依靠工程监测、理论解析、数值模拟3种手段对问题进行研究，但各 自都存 在着不足．由于目前监测手段的局限性 ，使得现场监测不能有效获取分析问题所需的足够信息，从而不能 全面的考虑问题；理论解析根本无从适应岩石介质的非均值性、多缺陷性；随着计算机技术的飞跃发展， 数值模拟成为一种手段，但先前的数值模拟方法存在着明显的不足 J ① 未考虑裂隙对岩体整体强度和 导水性的影响；② 始终将岩体与水分开来研究，未考虑岩体与水之间的相互作用；③ 未考虑分步开挖对 上覆岩层扰动引起的损伤积累．实践证明，渗流引起动静水压力作用，影响着介质的应力状态 ，而介质因 此而产生的裂隙扩张又反过来影响渗流特征．因此 ，突水问题是一个在人为采掘活动诱发下 ，围岩岩性 、 结构 断层或裂隙和地质环境 区域构造场 、渗流场、水理作用场等综合作用的结果． 本文应用 FR F P A 加渗流与应力耦合分析系统对煤层顶板随开挖的进行岩层破坏逐步向上发展并最终 与含水层连通，进而发生顶板突水事故的整个过程进行了模拟 ，从模拟过程中能充分的提取顶板突水的足 够相关信息，比如整个岩体的应力 、应变分布状态，顶板的变形 、破坏过程以及突水前后渗流场的变化情 况 ，从而能更好地阐明顶板突水机理 ，同时对指导采场设计及其防治工作具有重要的意义． 1 岩石破裂过程分析程序 FR F P A 。 原理 本文所用的 FR F P A 系统是在先前 R F P A 的基础上 ，为进行岩石破坏过程渗流与应力耦合分析 而开发的，基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应力分析、渗流分析、耦合分析、破坏分析4个 方面的功能．应力分析采用有限单元法 ，破坏分析则根据修正后 的库仑 C o l u m n 准则 包括拉伸截断 T e n s i o n c u t ． o ff 来检查材料中是否有破坏单元 ，对破坏单元则采用刚度特性退化 处理分离和刚度 重建 处理接触的办法进行处理．文献 [ 1 0 ，1 1 ]详细介绍 了岩石破裂过程的渗流与应力耦合分析， 以单元单轴拉伸和压缩的弹性损伤本构关系为基础 ，给出了单元在一般应力状态下的弹性损伤演化过程中 的渗流与应力耦合分析方程．为了模拟采动工作面的变化 ，采用空单元法．另外 ，本分析系统的一个显著 特点就是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元 ，假定参数服从某种分布 如韦伯分布 ，以概率 统计方法描述其离散性 ，充分考虑了岩石介质的非均匀性． 2 数值模拟计算分析 2 ． 1 计算模型及参数 采用平面应变模型模拟某矿工作面采场上覆岩层开采 引起 的顶板 突水过程．模 型沿 水平 方 向取 3 0 0 m，沿垂直方向取 1 1 0 m，煤层开采深度为 3 5 0 m，倾角为 3 。 ，采厚为 5 m，走向长 1 2 2 5 m，工作面 宽 2 0 0 m，开切眼距边界 1 1 0 m，自重方式加载．因本次模拟重点是研究随着下部长壁工作面的推进受到 较大影响以至于引起顶板突水的上覆岩层，所以为了减少计算工作量，可将距采场工作面 7 3 m以上直至 地表的整个上覆岩层等效为一重块 ，厚 1 2 m，其重量 由上覆岩层厚度及密度来确定；为了不使重块破坏 后对重点研究的岩层造成影响，其抗压强度人为增大到2 0 0 M P a ．煤层采用长壁式开采，开挖步距为8 m， 垮落法顶板管理． 数值分析模型如图 1 所示 ，模型尺寸为 3 0 0 m m1 1 0 m m，共划分为 3 0 01 1 0 3 3 0 0 0个细观单元 ， 假定各岩层细观单元为均质 、各向同性线弹脆性体，为了充分考虑岩石类材料的非均匀性 ，假定各岩层细 观单元的物理力学性质参数 表 1 均服从韦伯 w e i b u l 1 分布 m， “ ，其中参数 m反映材料的非均 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年 第2 9 卷 匀程度 ，m越大，材料越均匀 ； u为反映岩石材料平均性质的参 数 ，从而使每一岩层具有相似 的物理力学性质．因此 ，本文将 开挖工程岩体介质概化为具有开挖孔洞的分层有相似物理力学 性质的非均质各向同性的非线性空间体．模型的左右两侧近似 为无穷远处的固定边界 ，在水平方 向上不产生位移，只在垂直 方向上滑动，下部视为铅垂方向的简支约束．图 1方框所覆盖 的整个 4号岩层为含水层 ，含水层渗透系数为 8 m ／ d ，孔隙压力 系数为 1 ，其他不透水岩层渗透系数为 0 ． 5 m ／ d ，孔隙压力系数 为0 ． 1 ；渗流边界条件 两端为3 0 0 m的定水头边界；采场顶板 为水头等于标高的溢出面边界，底部为隔水边界，水位 自由面 需要迭代计算． 图 I 采场上覆岩层运动数值模拟模型 F i g ．I Nu me r i c a l s i mu l a t i o n mo d e l o f mo v e me n t o f r o c k s t r a t a o v e r l y i n g s t o p e 表 1 数值模拟模型各岩层部分力学参数 Ta b l e 1 Pa r t i a l me c h a ni c p a r a me t e r s o f o v e r l y i n g r o c k s t r a t a i n n u me r i c a l t e s t mo d e l 2 ． 2 计算 结果 1 采场上覆岩层运动动态发展过程 图 2为随着工作面推进上覆岩层运动动态发展过程的数值模拟结果．因篇幅有限，仅将其中最具代表 性的几步岩层弹性模量分布及剪应力分布示于图中． 开切眼形成后 ，直接暴露于采空区的上覆岩层底部不再受到下部煤层的支撑作用 ，在重力作用下开始 弯曲、沉降．当工作面推进到 2 4 m时，在岩梁跨中层面位置处开始产生离层 ，如图2 a 所示．随着工 作面的继续推进 ，岩梁悬露跨度增大，弯曲沉降愈明显 ，在直接顶的端部和中下部开始萌生裂隙，岩梁开 裂成 “ 假塑性岩梁” ．当工作面推进到3 2 m时，岩梁达到极限悬露跨度，其沉降值超过 “ 假塑性岩梁” 的最大允许值，整个岩梁端部切断而垮落，如图2 b 所示．随着工作面的继续推进，新形成的直接顶 可看作悬臂梁 ，在重力作用下开始偏转 、下沉，悬臂梁靠工作面后方一端首先触矸 ，然后另一端在自重和 上覆岩层压力作用下切断而垮落．由于采空区范围加大 ，垮落带上方的老顶失去下部直接顶支撑 ，在重力 作用下发生弯曲、沉降，由下向上逐次离层．在采动影响下 ，上位老顶端部及 中下部不断出现断裂现象． 当工作面推进到 4 8 m时，工作面推进距离再次达到老顶岩梁的极限跨度 ，老顶岩梁端部切断而垮落，如 图2 c 所示．在接下来工作面的推进过程中，由于上层老顶 9号岩层为厚而坚硬的细砂岩，对岩 层变形与破坏起着控制作用 ，没有发生垮落，只是直接顶随工作面的回采而逐渐垮落．按照钱鸣高院士的 维普资讯 增刊 张后 全等 煤矿顶板突水事故数值模拟分析 2 3 岩体关键层理论m ，本岩层可称为关键层 ，对岩层的稳定性起着控制作用，一旦关键层破断，其上较弱 岩层将随之垮落．如图 2 d 所示 ，在工作面从 4 8 In推进到 6 4 i n的过程中，上覆岩层处于相对稳定运 动阶段 ，垮落高度保持在 1 1 in；而当工作面推进到 7 2 in时，起控制作用的 9号关键岩层发生破断，上覆 岩层稳定性受到极大影响，岩层发生显著运动，破坏范围向上急速扩展 ，如图 2 e 所示． 曩 曩 量 ■ 一 图 2 采场上覆岩层运动的动态发展过程 Fi g ． 2 Dy n a mi c p r o g r e s s i v e p r o c e s s o f mo v e me n t o f r o c k s t r a t a o v e r l y i n g s t o p e a ～ e 弹性模量分布； f ～ j 剪应力分布 2 覆岩破坏深度的确定 图 3为距煤层顶板 5 0 in处横断面 水平与垂直位移随工作面距离推进的变 化情况．从图中可以看出，在工作面推 进前 4 8 in时 ，该横断面岩层受采动影 响不大，处于相对稳定 的弯 曲沉 降阶 段，岩层完全处于弹性压缩状态．而当 工作面推进到 7 2 in时，由于关键岩层 9号岩层 的破断，破坏范 围向上急 速扩展 ，该岩层受极大采动影响，通过 图3的 “ 推进 7 2 in”水平位移曲线可 0 E 1 O 0 E 、 ＼ 2 0 0 3 0 0 ￡ ／ m 1 O 0 20 0 图 3 水平和垂直位移随工作面距离推进的变化 曲线 Fi g ． 3 T h e c h a n g e c u r v e s o f h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t a n d v e r t i c a l d i s p l a c e me n t wi t h t h e p u s h i n g d i s t a n c e o f wo r k i n g f a c e 1 4 推进 2 4 ，3 2 ，4 8 ， 7 2 30 0 以看出，岩层在采场两帮煤壁斜上方位置处的水平位移发生 “ 突跳” ，即此处产生的不是连续弯曲沉降， 可能产生 了竖向裂缝 图 2 e ，从而说明此岩层下部隔水性较差，与导水断裂带联通起来 ，深入了 4 号含水层 2 5～ 4 3 in ．因此 ，当工作面推进到 7 2 in时，极有可能发生顶板突水事故的危险． 3 突水前 、后渗流场变化情况 图4为顶板突水前 、后水位等值线变化 越亮水位越高，单位为 in ，从突水前的水位等值线条带可 图4 突水前 、 后水位等值线 F i g ． 4 Wa t e r h e a d i s o l i n e c h a r t o f wa t e r b u r s t b e f o r e a n d a f t e r 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年 第2 9 卷 以看出，水位在整个岩层中基本没有变化 ，变化幅度仅为2 m，水只是在岩层内部逐步渗透；而一旦导水 断裂通道形成后 ，地下水势必沿着此通道从采场顶板突出，这时水位骤降为 2 5 ． 1 m ．图5为顶板突水前 、 后渗流速度场 箭头越长流速越大，单位为 m ／ d ，突水前最大流速为 0 ． 0 6 m ／ d ，突水后最大流速骤增 为 7 4 ． 8 m ／ d ． 图 5 突水前 、后渗流速度场 F i g ． 5 S e e p a g e v e l o c i t y c h a ff o f w a t e r b u st r me dy a n d l a t e r 3 结 语 由于受埋藏深度和赋存条件的限制，我国许多煤矿开采一直受到来 自第 四系或其它上覆含水层的威 胁 ，地下煤层的开采必然引起上覆岩层的破坏，出现垮落带和断裂带，当二带高度没有达到含水层高度， 发生顶板突水的可能性 比较小，煤矿顶板突水事故的发生常常由采动裂隙引起，本文模拟结果与实际情况 相符．因此，准确确定煤层顶板垮落带和断裂带高度，对于进一步确定煤层开采深度上限，合理留设防水 煤柱具有重要的意义． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 杜小军 ． 煤矿突水快速分析与判别系统 [ J ] ．河北煤炭，1 9 9 9 增 4 4 5 2 ． 马广明 ，回采工作面顶板突水预报与防治对策 [ J ] ．江苏煤炭 ，2 0 0 1 1 1 7一l 8 ． 刘小松 ．基于 G I S 的东滩煤矿顶板突水预测预报 [ J ] ．河北建筑科技学院学报 ， 2 0 0 2 ，1 9 3 6 5 6 8 ． 毛允德 ． 预采疏放法防治首采工作面顶部含水层突水 [ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 1 9 9 9 4 5 1 5 2 ． 李明山 ． 等效数值法在矿井突水水源判别中的应用 [ J ] ．煤炭工程师 ，1 9 9 8 4 3 5 3 6 ． 胡中信 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