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《斷層影響下頂板突水機理的數(shù)值模擬研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、斷層影響下頂板突水機理的數(shù)值模擬研究 0引言 礦井突水作為煤礦生產(chǎn)中的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全，一直是煤礦災(zāi)害防治的重點[1]。尤其近些年來，由于煤炭開采的規(guī)模逐步擴大，突水事故頻發(fā)，造成了不可估量的損失。以往底板突水一直被作為煤礦水害的防治重點[2-6]，但隨著技術(shù)的進步，煤礦綜合機械化的普及，頂板突水問題對煤礦生產(chǎn)的影響逐漸顯現(xiàn)出來，并且其防治難度要更大。大量工程實例表明，相當(dāng)一部分突水事故都與斷層的存在有著一定關(guān)系[7-10]。本文將以徐州礦務(wù)局某礦為工程背景，對斷層影響下
2、的頂板突水進行研究，應(yīng)用flac進行數(shù)值模擬，以期對斷層影響的頂板突水機制有進一步認(rèn)識及對煤礦安全生產(chǎn)有進一步提高?！ ?礦井水文地質(zhì)條件 該井田擁有東南低西北高的地勢，井區(qū)內(nèi)巖層出露較好，利于降水入滲補給地下水。井田內(nèi)含水層主要有中下石炭統(tǒng)梓門橋組巖溶承壓含水層,該含水層厚度60m左右，以及下石炭統(tǒng)測水組砂巖裂隙承壓含水層，整體水位西北高、東南低，徑流方向由西北向東南。隔水層主要有下部的泥灰?guī)r，厚10~30m，其隔水性較好，此隔水層位于開采煤層之上60m左右?！ 「鶕?jù)多年的觀測，直接向礦井充水
3、的是測水組砂巖裂隙承壓含水層水，尤其是4煤頂板石英砂巖，該含水層厚度5~16m，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，滲透系數(shù)大，出露高程較高，開采過程中一經(jīng)揭露便向工作面涌水，礦井涌水量雖隨著開采范圍的加大有所增長，但一直穩(wěn)定在70m3/h以下?！ ∑渲性摰V某工作面在掘進過程中，要穿過一條正斷層，斷層傾角大約為60°，落差10m，工作面從下盤向上盤推進。由于該礦井煤層不穩(wěn)定，工作面走向長度一般不超過200m。煤層才用長臂式開采，開挖步距為10m，跨落法頂板管理。而由于斷層的存在及影響，有可能將上方含水層中的裂隙水導(dǎo)入采場，
4、影響煤礦生產(chǎn)安全。 2數(shù)值計算模型的建立 flac(fastlagrangiananalysisofcontinua)是由美國itasca公司開發(fā)的，一種用于工程力學(xué)計算的二維顯式有限差分程序。該軟件系統(tǒng)的基本原理和算法與離散元相似，但它采用的是節(jié)點位移連續(xù)的條件，可以較好地模擬由土、巖石和其他的在到達(dá)屈服極限時會發(fā)生塑性流動的材料所建造的結(jié)構(gòu)的特性，特別適合求解巖土力學(xué)工程中非線性的大變形問題?！ 榱朔奖愕贸鰯鄬訉敯迳细矌r層隔水性能影響規(guī)律，結(jié)合flac中的流固耦合模塊，分別建立無斷層和
5、含斷層兩類頂板數(shù)值分析模型，分析比較其結(jié)構(gòu)力學(xué)特征和滲流特征的差異。模型圍巖本構(gòu)關(guān)系采用mohr-coulumb模型。計算模型幾何尺寸為200×100m，煤層厚度為3m，模型頂部為承壓含水層，上覆巖層總厚度為57m，下覆巖層厚度為40m。斷層傾角為60°，斷距為10m。工作面位于斷層左側(cè)，從左向右推進，開挖步距為10m。頂部上邊界施加的空隙水壓為2mpa，模型范圍以上的巖層等效為5mpa均布載荷施加于模型的上邊界。模型底部約束垂直方向位移，左右兩邊約束水平方向位移，除上邊界外，其他邊界均設(shè)置為不透水邊界。
6、其中在對斷層的模擬上，把斷層穿過巖體單元合并考慮，對該單元所附材料參數(shù)與斷層相同?！ ?垂直應(yīng)力分布特征 為充分了解采場距斷層的距離不同對頂板上覆巖層的穩(wěn)定性和滲流特性的影響，分別給出了模型無斷層及含斷層時的垂直方向應(yīng)力分布云圖?！ ∮煞治龅茫寒?dāng)無斷層時，采場圍巖存在兩個應(yīng)力集中區(qū)，位于采空區(qū)的兩側(cè)；由于斷層帶的存在，采場圍巖存在三個應(yīng)力集中區(qū)，分別位于采空區(qū)的兩側(cè)和斷層帶；隨采場的推進，由于采動引起的應(yīng)力集中區(qū)不斷向斷層位置靠近，并與斷層帶附近的應(yīng)力集中區(qū)疊加，從而使得應(yīng)力集中程度不斷加劇?！?/p>
7、 對于含斷層的情況，當(dāng)采場位置距斷層較遠(yuǎn)時，采動引起的應(yīng)力集中對斷層內(nèi)巖體的應(yīng)力影響較小，但當(dāng)采場位置距斷層較近時，則采動引起的應(yīng)力集中對斷層內(nèi)巖體的應(yīng)力影響較大。當(dāng)采場由距斷層80m推進至60m時，斷層內(nèi)垂直應(yīng)力由1.5mpa增至1.9mpa，增幅為25%；當(dāng)采場由距斷層50m推進至30m時，斷層內(nèi)鉛垂方向應(yīng)力由2.3mpa增至4mpa，增幅達(dá)48%，增幅擴大近2倍。可見，一方面斷層受采動影響，自身穩(wěn)定性將隨采場與斷層間距離的減小而將受到更嚴(yán)重的影響，一旦斷層被活化，導(dǎo)水性增強，導(dǎo)致頂板發(fā)生突水事故的概
8、率增加；另一方面，斷層除了作為導(dǎo)水通道外，還可能破壞采場圍巖承載結(jié)構(gòu)，引發(fā)上覆巖層失穩(wěn)，隔水性能降低，從而發(fā)生突水事故?！ ?塑性區(qū)及孔隙水壓分布特征 分別給出了含斷層時工作面圍巖隨采場推進的塑性區(qū)分布云圖和孔隙水壓分布云圖；給出了有無斷層的情況下，頂板破壞深度h的變化曲線。經(jīng)過對比分析，可知： (1)當(dāng)采場推進至70m時，頂板破壞深度大約為31m，在含斷層的情況下，采場同樣推進至70m時，頂板破壞深度大約為35m
