采场覆岩突水通道数值模拟.pdfVIP

http://www.pap 采场覆岩突水通道的数值模拟 1, 2 1, 2 马立强 ，张东升 1中国矿业大学(221008) 2教育部矿山开采与安全重点实验室(221008) e-mail :horsema175@ 摘 要：为从根本上研究煤层开采过工程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化 规律。运用UDEC数值软件的应力—渗流耦合系统，计算了采场顶板破断及破断岩块再组合 压实过程中突水通道的扩展、闭合演化过程。结合工程实践，系统分析了采动覆岩导水裂隙 渗流矢量、渗流速度、孔隙压力及覆岩导水边界线的动态发展规律和分布特征，得出了一些 防治采场顶板突水的有益结论，可为类似条件下煤矿顶板突水事故防治提供理论依据。并采 用FLAC3D的应力—渗流耦合系统对所得结论进行了验证，证明该UDEC和FLAC3D的应力— 渗流耦合系统都能预测并预算采动覆岩裂隙产生、发展、闭合及相关危害性的可靠的数值定 量分析软件。数值模拟结果表明采场覆岩的突水通道的发展明显受煤层开采的影响，且当主 关键层破断时，采场最易发生顶板突水事故。 关键词： 突水通道；渗流；预测预报；数值模拟 1、引言 贯通的纵向裂隙是采煤工作面顶板水涌入工作面的通道，工作面采动形成的导水裂隙分 布特征是煤矿顶板突水防治研究的主要难点之一。导水裂隙的定量描述，尤其是其随着工作 面推进，上覆岩层移动过程中导水裂隙场的由下向上发展的不同时期、不同区域的动态分布 [1，2] 规律及其渗流量和渗流速度的定量描述，突水 “通道”的形成特点，还没有好的办法 。 在数值计算中，现有的方法是将塑性区范围默认为导水裂隙带范围或将垂直位移超过某一给 定量的区域判定为导水范围。这些判定方法将采动破坏区域等同为导水区域，没有考虑伴随 采动岩体破断及破断岩块再组合压实过程中突水通道的扩展、闭合的动态发展规律，没有体 现出采动岩体破断后重新组合形成结构的耦合特点，更没有涉及到采动岩体的固—液耦合特 性。 本文运用UDEC 离散元数值软件的应力—渗流耦合系统，结合CAD 技术，定量描述了 采场覆岩导水裂隙的动态发展过程，给出了采动覆岩导水裂隙渗流矢量、渗流速度、孔隙压 力及边界线的动态发展规律和分布特征，再用FLAC3D 的应力—渗流耦合系统对所得结论进 行了验证，为工作面推进的不同阶段顶板突水的防治重点提供了有益参考。 2、 UDEC 应力—渗流耦合系统 岩石的渗透性一般都极弱，因此，岩体的渗透性主要取决于裂隙的发育程度。在荷载作 用下，岩体绝大部分的变形发生在裂隙，引起裂隙变形的主要因素是应力渗流，岩体裂隙 本课题得到然科学基金项目、国家杰出青年科学基金资助项目）、教育部科学技术研 究重点项目(105024) 资助 1 中的地下水具有渗透压力，通过作用于岩体的裂隙隙面而使岩体变形，而裂隙的过水能力又 和裂隙隙宽的三次方成正比例。因此，裂隙岩体渗流场受应力状态的影响很大，而渗流场的 将改变岩体渗透体积力的分布，渗透体积力又必将对应力场产生影响，这个相互影响是采动 岩体裂隙发育至关重要的特性。 UDEC 软件把节理岩体看成是由离散的岩块和岩块间的节理面组成。在 UDEC 的应力 —渗流耦合系统中，充分考虑了渗透压力和应力场在岩体裂隙生成过程中的相互影响。且其 流体的运动特点是只通过岩体节理进行渗流，经过设置，就能方便的分辨出受开采影响的导 [3 ，4] 水裂隙带定量分布特征 。不但可以由流体的运动路径和不同开采位置、瞬时的水流矢量 图直接判断出导水通道的动态发展过程，还可以由此推导出导水、导气