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第 24 卷 第 9 期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.9 2005 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2005 收稿日期收稿日期2003–11–28；修回日期修回日期2004–02–17 基金项目基金项目辽宁省教育厅高等学校科研项目计划 A 类2004B004 作者简介作者简介刘俊杰1956–，男，工学博士，1982 年毕业于阜新矿业学院地质测量工程系煤田地质与勘探专业，现任教授，主要从事地质工程方面的 教学与研究工作。E-maill_56。 运用运用 RFPA2D数值模拟开采条件下的渗流通道数值模拟开采条件下的渗流通道 刘俊杰 1，陈 雄1，张后全2，唐春安1，2 1. 大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁 大连 116622；2. 东北大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 沈阳 110004 摘要摘要以煤矿相继地下采动造成阜新矿区八家子自然村民井断水现象为例，在对地下开采条件下水资源流失机理 进行水文地质学定性分析的基础上，运用二维岩石破裂渐进过程分析系统，数值模拟了采场覆岩应力场的变化与 重新分布规律，数值模拟结果再现了采动区覆岩裂隙萌生、扩展和贯通的过程；这个过程也是地下水渗流场变化 与调整、地下水沿新生裂隙通道向地下开采负空间渗流的过程。二维岩石破裂渐进过程分析系统数值模拟结果与 水文地质学定性分析结果吻合，证明该系统是一种能预测并预算采动裂隙生成、扩展及其相关危害如地下水流失 等的可靠的数值定量分析方法。模拟结果表明，即使采空区和受影响区处于不同的水文地质单元，也会因地下采 动影响形成畅通的渗流通道而改变地下水的径流方向和方式，为水的流失和向深部采空区渗流汇集创造便利的水 文地质条件，使原来不具备渗水条件的采场成为可以接纳很大渗流量的地下水库。 关键词关键词水文地质；地下采动；地下水流失机理；渗流通道；数值模拟 中图分类号中图分类号P 641 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200509–1522–05 NUMERICAL SIMULATION OF SEEPAGE CHANNEL WITH REPA2D UNDER COAL MINING CONDITIONS LIU Jun-jie1，CHEN Xiong1，ZHANG Hou-quan2，TANG Chun-an1 ，2 1. Research Center for Numerical Test on Material Failure，Dalian University，Dalian 116622，China； 2. Center for Rockbursts and Induced Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang 110004，China AbstractWater-break phenomena occur in some wells in Bajiazi Village，Fuxin Coalfield because of coal mining. The conditions of this case are employed. The hydrogeology qualitative analysis on the groundwater loss mechanism induced by underground mining is carried out. Then numerical simulation is pered with the rock failure process analysis RFPA2D code. The change and redistribution of the stress field of the rocks around the stope are studied， and the process from initiation， propagation， and coalescence to rupture of rock crannies around the stope is reproduced. The process shows the transation and adjustability of the groundwater seepage action and the course of the groundwater leakage to the goaf through the crack. The results of numerical stimulation are consistent with the result of the hydrogeology qualitative analysis， which proves that REPA2D is one of the credible numerical quantitative analysis to forecast the cranny′s initiation，propagation，and other hazardssuch as the groundwater runoff in this paper. The results of numerical stimulation show that although the goaf and influenced area are in different hydrogeological unit，the groundwater seepage channels are influenced by mining， which provide a favorable hydrogeological condition for the water runoff and accumulation to deep goaf，and make the stope that originally do not possess leakage conditions into a reservoir that can take up prodigious seepage. Key wordshydrogeology；underground mining；groundwater loss mechanism；seepage channel；numerical simulation 第 24 卷 第 9 期 刘俊杰等. 运用 RFPA2D数值模拟开采条件下的渗流通道 1523 1 引引 言言 众所周知，地球内部在三维空间的各个方向上 的应力分量间存在大小不等的差异地应力。根 据近 30 a 来实测岩石圈表层应力值的结果发现， 地表附近深度 1～4 km普遍存在地应力，其中两个 平行于地表面的应力与一个垂直于地表面的应力均 不相等，前者为后者的 1～3 倍[1]。 地下采矿活动，尤其是在某一区域内相继的地 下采矿活动，会在一定区域范围内产生若干个地下 负空间，因此造成原有地应力场的变化，破坏原有 应力分布与平衡状态，引起围绕地下负空间的应力 重新分布与集中，在围岩及上覆岩层中形成采动裂 隙。这些负空间可以在短时间内通过采动裂隙和围 岩移动与塌陷裂隙形成接近或到达地表的连通构 造，相应地带来一系列的诸如渗流场变化、地下水 流失与水位下降、围岩移动和地表沉陷等生态环境 变化问题。本文引用阜新矿区八家子自然村民井断 水现象与地下采矿活动之间关系的一个实例，运用 RFPA2D[2 ，3]，从数值模拟分析角度，验证了水文地 质学对该地区地下开采条件下水资源流失机理的定 性分析结果。 2 实例与水文地质定性分析结论实例与水文地质定性分析结论 2.1 地质采矿条件与水资源流失地质采矿条件与水资源流失 本文所引用实例[4]的井田位于阜新市西郊伊玛 图镇辖区内，东距阜新市中心约 15 km。该井田面 积约 27.8 km2，井口标高为128～138 m，最终开 采标高为 0～－138 m。开采对象为下白垩统阜新组 煤层，含煤岩系主要由灰白色中细砂岩及煤层组成， 地层产状为走向 NE15 ～60 ，倾向 NW10 ～15 ， 倾角 18 。阜新矿业集团有限公司艾友煤矿一井以 下简称国矿，1969～1978 年、地方煤矿1975～1991 年和个体煤矿1991～1998年在该区域相继进行开 采图 1。井田内含煤岩系含透水性差，单位涌水量 一般为 0.02～0.60 L/ms。在国矿开采期间，矿 井涌水现象极不显著。 图2为实例中所涉及八家子自然村民井水位潜 水位随地下开采下降关系曲线。由图 2 可知，随着 国矿、地方煤矿和个体煤矿的相继开采，该村地下 1国矿开采区域；2地方煤矿开采区域；3个体煤矿开采区域； 4煤层采空区；5国矿采动裂隙；6地方煤矿采动裂隙； 7地下水沿采动裂隙径流 图 1 地质采矿条件与地下水径流模型[4] Fig.1 Geological and mining condition and groundwater runoff model[4] 图 2 潜水位随地下开采下降关系曲线[4] Fig.2 Relation map of the fall of groundwater level and underground mining[4] 水位自 1975 年以来逐年下降，自 1990 年始大幅度 下降。在 1975 年以前，该村井水水位仍基本处于正 常状态，其后开始下降到地表以下 6～7 m，至 1990 年下降到超过地表以下 20 m，1994 年该村最深水井 地表以下 43 m已无水，最终导致该村全部民井断 水，一直持续至 1998 年秋。 2.2 地下水径流模型与水文地质定性分析地下水径流模型与水文地质定性分析 国矿采掘终止边界距该屯 210 m，根据覆岩破 坏和裂隙角形成机制[5]，因该矿开采造成围岩某种 程度的破坏并形成裂隙采动裂隙，但不可能延伸超 过 210 m 而达到该村，如图 1 中国矿采动裂隙 I 所 示。因此，不会导致地下水径流条件和方式的明显 改变，相应地也不会引起地下水位的明显降低。但 是，由于后续地方煤矿的开采形成了大面积的浅层 裂隙 II，加上后来个体煤矿的采动，使采动裂隙 I， II 交叉联合图 1，从而造成民井水位强烈下降，最 终断水。图 1 同时表示了相继地下开采后地下水径 流方向。 从上面的地质–采矿剖析中可知，该村水资源 流失水井水位强烈下降机理，是由于地方煤矿和 1524 岩石力学与工程学报 2005 个体煤矿的开采，导致该村至国矿采空区具备地下 连通条件图 1，形成该村潜水地下水流失、并向国 矿采空区渗流汇集的主要通道；国矿的开采形成大 片采空区为地下水的流失汇集创造了必要的条件， 而地方煤矿对国矿边界与该村之间的煤层大规模开 采，以及个体煤矿的开采则加剧了该村井水位的下 降程度和速度，以致断水。 3 RFPA2D数值模拟分析数值模拟分析 3.1 岩石破裂渐进过程分析系统概述及应用条件岩石破裂渐进过程分析系统概述及应用条件 本文所用的 RFPA2D是一个能模拟岩石从裂纹 萌生、扩展直至断裂全过程的数值分析系统，该系 统基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应 力分析和破坏分析两方面功能。其显著特点是将岩 石类材料的不均匀性参数引入到计算单元，充分考 虑了岩石介质的非均匀性；同时，假定参数服从某 种分布如韦伯分布[2]。RFPA2D分析系统既可以进 行岩石类材料断裂破坏渐近过程数值试验分析，又 可以进行数值模拟分析。而本文应用该分析系统对 研究对象进行的分析属于后者。 3.1.1 力学模型 应力分析采用有限单元法，破坏分析则根据修 正的库仑Coulomb准则包括拉伸截断[2 ，3]来检查 材料中是否有破坏单元。对破坏单元可采用刚度特 性退化处理分离和刚度重建处理接触的办法进 行处理。为了模拟采动工作面的变化，采用空单元 法，令挖去部分单元的自重和弹性参数为一个无意 义的数，每一步开挖即相当于一次卸载。对于每一 步开挖，首先进行覆岩视为岩梁[6 ～8]应力计算，然 后根据破坏准则检查模型中是否有破坏单元。 如果 没有，继续下一步的开挖，并进行应力计算。如果 有破坏单元，则根据单元的拉或剪破坏状态进行刚 度退化处理，然后重新进行当前步的应力计算。 3.1.2 边界条件 地下煤层开采后形成一采空区，可视为岩梁的 上覆岩层失去下部煤层支撑，整个岩层重量直接作 用在采场两帮煤壁上。 3.1.3 数值计算 运用 RFPA2D进行开采后覆岩剪应力和最小主 应力分布计算分析，数值模拟结果再现了覆岩裂隙 萌生、扩展和贯通的过程。 3.2 数值模拟结果及分析数值模拟结果及分析 3.2.1 数值模拟结果 图 3 为采区逐步开采围岩破坏动态发展过程的 数值模拟结果包括弹性模量分布图和声发射图。 国矿首先开采后，采动裂隙集中出现在采空区 粗黑部分上山和以大于或等于 30 的倾角向地表 延伸图 3 中 A，A′。地方煤矿开采后，在地下形成 两个采空区，采动裂隙出现在浅部并延伸至地表， 达到村庄图 3 中 B，B′，右上角部位，引起地下水 水位的明显下降图 2。随着后来个体煤矿的开采， 处于 2 个采空区间的“煤柱”逐步减小，采空区范 围逐渐加大，2 个采空区及采动裂隙相互贯通，不 但形成新的渗流场，从根本上改变了地下水径流通 道和条件，出现大幅度地下水水位降低现象图 2， 而且造成了围岩移动和地表沉陷图 3b中 C′。 3.2.2 数值模拟结果分析 图 4 为采区逐步开采围岩破坏渐进过程应力分 布模拟结果包括剪应力和最小主应力分布图。图 中明暗程度不同的地方表示其数值大小不同。越亮 的地方，表示剪应力和最小主应力越集中的地方， 破坏单元越多，并且围岩破坏主要发生的是拉破 坏。 从图 4 中 A，A′可以看到，在国矿开采时，应 力主要集中在采空区两端上、下山附近，对比图 3 中 A，A′，这些部位出现了密集的采动裂隙。此时， 由于煤层赋存较深，只有采空区附近围岩出现剪应 力和最小主应力集中，产生了破坏，而地表受影响 不是很大，只产生了少量的浅层采动裂隙，而根本 没有也无法波及到村庄。当地方煤矿开采时，应力 集中现象与图 4 中 A，A′相似，也是出现在采空区 两端上、下山周围，但是由于煤层赋存深度较浅， 地表受采动影响较大，剪应力和最小主应力集中的 结果，导致大量的浅层拉张裂隙生成扩展，并波及 村庄图 4 中 B，B′。此时，国矿和地方煤矿开挖在 地下形成的裂隙已部分地连通起来。随着后来个体 煤矿的开采，采空区之间的“煤柱”越来越小，在 浅部和上部采空区出现拉应力集中图 4 中 C，C′， 上覆岩层失去必要的支撑而塌陷；再加上裂隙不断 扩张、交叉和贯通，破坏范围逐渐加大并延及地 表，导致采空区上覆岩层塌陷和地表沉陷图 4 中 C，C′。 对比图 3 和 4 可知，采动裂隙的生成、扩张和 贯通，是由于地下相继开采条件下地下岩体应力场 不断变化、应力重新调整的内因起主导作用造成的； 而覆岩破断受会分步开挖引起的应力重新分布和其 第 24 卷 第 9 期 刘俊杰等. 运用 RFPA2D数值模拟开采条件下的渗流通道 1525 a 弹性模量分布图 b 声发射图 图 3 采区逐步开采围岩破坏动态发展过程的数值模拟结果 Fig.3 Numerical simulation results of dynamic process of rock failure in progressive mining a 剪应力分布图 b 最小主应力分布图 图 4 采区逐步开采围岩破坏渐进过程应力分布模拟结果 Fig.4 Stress fields in rock failure progress induced by progressive mining in the coalfield region 损伤积累以及岩梁的非均质性的影响[6 ～8]。采动裂 隙及采空区的相互贯通，为浅部地下水迅速流失和 地下水水位快速下降创造了有利条件。 3.3 地下水渗流场变化地下水渗流场变化 本文根据引用的实例，在水文地质定性分析的 基础上，运用 RFPA2D数值模拟了采场覆岩裂隙萌 生、扩展和贯通的过程，分析了采动区域的局部渗 流场变化。该分析不同于根据研究对象区的水文与 水文地质条件，通过建立水文地质模型和数学模型， 再进行较大区域的煤矿开采对地下水流场影响的数 值模拟分析[9]。运用 RFPA2D数值模拟试验可以给出 预采区域采动后的覆岩破坏特征与渗流场变化规 律，对于预防与治理采动条件下地下水资源流失灾 害具有科学的指导意义。 从国矿、地方煤矿和个体煤矿对该区域开采的 时空顺序上可以认为，地方煤矿和个体煤矿的采掘， 为地下水流失创造了便利的径流通道，加剧了水位 下降的程度和速度，国矿开采形成的大片采空区则 为地下水的流失汇集创造了必要的条件。 RFPA2D数值模拟结果表明，导致上述地下水流 失过程的岩石力学机理是地下开采形成负空间后 相当于岩石加载变形破坏过程，覆岩中微裂隙相 继萌生、扩展和贯通，这个过程使岩石的结构产生 显著的变化，相互连通的裂隙作为新的渗流通道， 使岩石的渗透率增大[10]一方面改变了地下水原来 的渗流方向，另一方面加大了渗流速度和渗流量。 1998 年前后个体煤矿开采时，每天都必须进 行 3～4 h 排水，排水量约为 300 m3/h，但次日矿井 积水水位再次恢复到原位。依此推算渗流量约为 37.5～50 m3/h，而在国矿开采期间几乎无渗水现象。 这也充分说明，在地方煤矿和个体煤矿相继开采 后，地下渗流场发生了重大变化， 形成新的渗流场， A B C A′ B′ C′ A BC A′ B′C′ 1526 岩石力学与工程学报 2005 降水漏斗扩大，使原本不属于同一个水文地质单元 的区域联合，以整个采空区为中心，导致波及采动 区域的浅层地下水向该中心渗流；渗流量异常加大 为 40 m3/h，使原来不具备渗水条件的采场成为可以 接纳很大渗流量40 m3/h的地下水库。 4 结结 论论 1 以地下采动条件下地下水流失实例为分析 对象，运用 RFPA2D数值模拟结果再现了地质–采 矿裂隙生成并形成新的渗流通道和新的渗流场，使 不同的水文地质单元联合，验证了水文地质定性分 析结果。 2 RFPA2D既可以进行岩石类材料断裂破坏渐 进过程数值试验分析，又可以进行数值模拟分析， 本文实例说明 RFPA2D是一种能预测并预算采动裂 隙生成、扩展及其相关危害如地下水流失等的可靠 的数值定量分析方法。 参考文献参考文献References [1] 陶世龙，万天丰，程 捷. 地球科学概论[M]. 北京地质出版社， 1999. 120–121.Tao Shilong，Wan Tianfeng，Cheng Jie. 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