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特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究
我国华北型石炭—二叠纪煤田煤层往往受到底板奥陶系强岩溶含水层的威胁。据统计,该区域内高达570亿t煤炭资源储量受水害威胁而无法开采,80%以上的底板突水事故与断层相关。长期以来,带压开采安全性往往根据“突水系数公式”判断,一定程度上满足了矿井安全生产需求。然而,突水系数指标忽略了底板突水与顶板垮断联动效应,难以解释“48%的采场底板突水出现在顶板来压时期”现象,导致在某些特定开采条件下预测结果与实际偏差很大,甚至发生突水灾害。
建立特厚煤层采动顶底板联动―突水理论模型及相应的耦合程序,是数值揭示特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理及响应特征的重要基础。目前,学者广泛基于“连续介质假设、孔隙介质模型”研究断层突水问题。ZHANG等和张鹏等基于连续介质假设与达西定律,建立损伤/未损伤条件下断层渗透系数表达式,进而采用有限元软件RFPA研究采动底板断层力学响应,发现采动应力下断层内出现采动破坏带、有效隔水带和断层活化带,有效隔水区是防止突水的关键位置。YU等认为断层内地下水流速较快,剪应力引起的能量耗散不能忽略,采用Brinkman方程描述地下水在断层内的非线性渗流过程,模拟研究表明断层带内存在压缩区,在该区域内水流速度、势能更高,可加重突水灾害。BAI等以有限元(FEM)方法为基础,分别建立低流速的达西定律、高流速的Brinkman方程,采用Comsol软件模拟了断层延迟突水的情况,得出断层带滞后突水演化可分为断层活化、渗流所致断层弱化2个阶段。WU等通过求解断层带的Darcy–Brinkman渗流方程,模拟了非线性突水过程。分析了断层宽度、破坏带宽度和断层渗透率对掌子面附近孔隙压力和流速的影响。LI等和张玉军等采用FLAC3D模拟研究了含断层底板塑性破坏带的分布特征,结果表明从上盘开采时,正应力比从下盘开采时增加得更多,剪切应力分布变化剧烈,导致导水裂隙更容易从断层处开始并向逆工作面推进方向上方发育,与采动破坏带沟通形成突水通道。李先平等采用有限差分(FDM)FLAC3D模拟研究发现煤层倾角30°条件下底板破坏深度最大且塑性区先导通断层,破坏深度随采深的增大而增大。
图 1 岩石破坏及裂隙流体运移示意
图 2 完整岩石加卸载应力−应变曲线示意
图 3 剪切裂隙开度修正的示意
图4 CFDEM耦合数值计算流程图 4 CFDEM耦合数值计算流程
图 5 加卸载剪切−渗流实验与 CFDEM 数值结果对比
图 6 工程地质特征与数值模型
图 7 特厚煤层工作面不同推进距离下顶−底板联动效应模拟结果(裂隙、竖向应力与主应力矢量)
图 8 覆岩运动下底板应力及裂隙开度变化
图 9 特厚煤层采动底板断层突水模拟结果
图 10 沿煤层走向采场顶底板微震事件分布
来源:
李浩,唐世斌,康志勤,等. 特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的 CFDEM 模拟研究[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2615−2629.