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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

2024-08-22


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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

作者:李 浩1, 唐世斌2, 康志勤1, 杨 栋1, 马立强3
单位:1. 太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室2. 大连理工大学 土木工程学院 岩石破裂与失稳研究所3. 中国矿业大学 矿业工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

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。

摘要
 ABSTRACT
 特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。
结果表明:① CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;② 模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③ 特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④ 底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。
部分图表






 1    岩石破坏及裂隙流体运移示意


 2    完整岩石加卸载应力应变曲线示意


 3    剪切裂隙开度修正的示意


图4 CFDEM耦合数值计算流程 4    CFDEM耦合数值计算流程


 5    加卸载剪切渗流实验与 CFDEM 数值结果对比


 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)


 8    覆岩运动下底板应力及裂隙开度变化


 9    特厚煤层采动底板断层突水模拟结果


 10    沿煤层走向采场顶底板微震事件分布


作者简介



李浩,博士、副研究员,硕士生导师,国际矿井水协会会员,中国力学学会会员,山西岩石力学与工程学会会员,山西地宝能源有限公司技术委员会外聘专家。主持国家自然科学基金、山西省应用基础项目、企业合作项目等十余项。发表第一作者论文20余篇,授权专利4项,获批软件著作权6个。担任《Sustainability》特刊“Advances in Coal Mine Disasters Prevention”(IF=3.9,Q2)的主编,是《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Mine Water and the Environment》《Journal of Natural Gas Science and Engineering》等多个期刊的审稿人。研究方向:深部多相多场耦合岩体力学理论,矿井水防治与利用、CO2-ECBM。




来源:

李浩唐世斌康志勤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202449(6):2615−2629.

  责任编辑:宫在芹

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