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1、2015年第40卷第2期能源技術(shù)與管理Vo1．40No．2EnergyTechnologyandManagement159+doi：10．3969／j．issn．1672—9943．2015．02．064基于COMSOL的巨厚松散層條件下固結(jié)數(shù)值分析石小剛(煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州450007)[摘要]基于COMSOMLMultiphysics有限元數(shù)值模擬軟件對擾動土體固結(jié)沉降建立數(shù)值模型，模擬分析巨厚松散層條件下開采的土體固結(jié)現(xiàn)象，闡述了此種地質(zhì)條件下井下開采地表沉陷的機(jī)理。[關(guān)鍵詞]井下開采；COMSOL模擬軟件；巨厚松
2、散層；數(shù)值分析；土體固結(jié)；地表深陷[中圖分類號]TD823．254[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B[文章編號]1672_9943(2015)021593固體力學(xué)邊界：模型的左、右側(cè)為輥支承位移1數(shù)值模型的建立邊界條件，頂部為自由邊界。1．1數(shù)值模型范圍的確定及網(wǎng)格劃分滲流場邊界：模型的左右兩側(cè)為壓力邊界，壓依據(jù)趙固一礦工作面的地表觀測數(shù)據(jù)，選取力梯度為靜水壓力梯度，頂部為大氣壓力邊界，即地表未受采動影響的位置作為模型的邊界，并依Po=O，淺部隔水層底部邊界及底部含水層頂?shù)撞繐?jù)該工作面的上覆巖土體及底板巖層的賦存，確邊界為無流動邊界條件。定模型上部以地表為界，下部
3、以煤層底板破壞深力學(xué)及滲流邊界條件設(shè)定如表1所示。度以下為邊界，建立高為525m、寬度為1200m表1邊界條件設(shè)定的二維模型，模型三角形單元數(shù)3577如圖1所示。圖1模型尺寸及網(wǎng)格劃分1．3厚松散層下巖土體參數(shù)的選取1_2邊界條件的確定結(jié)合趙固一礦水文地質(zhì)資料中鉆孑L抽水試驗(yàn)以趙固一礦的水文地質(zhì)資料為條件，將200m數(shù)據(jù)，確定了基巖和土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2以下到底部含水層的深部粘土層、煤層和底板作所示。流體參數(shù)：水的密度p=l000kg／m；動力粘為固體力學(xué)中不參與耦合的部分，而淺部土層和度／*=le4Pa·s；壓縮系數(shù)a=5e一10Pa-?；?/p>
4、巖頂板底部含水層作為流固耦合的耦合部分。表2巖層物理力學(xué)參數(shù)1．4模型計(jì)算值模擬軟件實(shí)現(xiàn)土體在采動影響下孔隙水壓力變以土體固結(jié)的數(shù)學(xué)物理方程為基礎(chǔ)，通過數(shù)化和土體變形，擬采用三個(gè)數(shù)值模擬試驗(yàn)方案分160石小剛基于COMSOL的巨厚松散層條件下固結(jié)數(shù)值分析2015年4月Apr．，2015析采動情況下土體的固結(jié)壓縮規(guī)律及土體固結(jié)對頂板含水層的豎直方向上的滲透率為水平方向的地表沉陷的影響?。l00倍，以達(dá)到模擬導(dǎo)水裂隙帶的目的。由于頂板(1)模型一：底部含水層不疏水的情況下，采為堅(jiān)硬的砂巖，頂板含水層水壓達(dá)到4．8MPa左動影響下厚松散層內(nèi)部土體的固結(jié)
5、變形。右，但是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育后水位下降并不會對巖(2)模型二：底部含水層疏水的情況下，采動石造成固結(jié)壓縮現(xiàn)象。所以，本模型中對于頂板含影響下厚松散層底部含水層的失水固結(jié)。水層孔隙壓力對應(yīng)力的作用項(xiàng)的系數(shù)設(shè)置為非常(3)模型三：不考慮耦合固結(jié)的情況下，采動小，即頂板巖層的水壓變化不會影響其應(yīng)力狀影響下厚松散層地表移動變形情況。態(tài)[。上述三個(gè)模擬方案都調(diào)用了固體力學(xué)solid由于導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通底部含水層，根據(jù)首采和達(dá)西定律dl模塊，前兩者是流固耦合，不同的面開采過程中頂板水的排水量，在趙固一礦首采是：模型一采空區(qū)頂板上邊界的壓力邊界Po=ogh，面開
6、采過程中由于頂板導(dǎo)水裂隙帶的水力疏放，而模型二考慮到由于煤層采出后導(dǎo)水裂隙帶造成底部含水層水位下降41．5m左右，也就是說導(dǎo)通底部含水層，造成底部含水層疏水，水壓底部含水層采空區(qū)上方范圍內(nèi)水壓平均下降了降低41．5m的水頭壓，所以其壓力邊界Po=pg0．415MPa。受到采動影響后，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)(。．．41．5)；模型三為不耦合狀態(tài)下的求解，即考慮育至底部含水層，引起含水層失水，取底部含水層松散層土體的采動不受孔隙水壓力影響，以及土內(nèi)特征點(diǎn)的超孔隙水壓力、體積應(yīng)變、豎直位移以體的體積變化不會造成孔隙水壓力的擾動。及應(yīng)力的變化，來說明由于底部含
7、水層疏放引起模型的求解時(shí)間為100d，其中每1d為一個(gè)的流固耦合土體固結(jié)的現(xiàn)象。體積應(yīng)變隨時(shí)間變時(shí)間步?；€如圖2所示，孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線1．5計(jì)算結(jié)果分析如圖3所示。1．5．1固結(jié)不疏水計(jì)算結(jié)果分析()125OI】5該模型主要考慮：導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至底部()1050095含水層，底部含水層未得到疏放，采動擾動后含水00850075層的孔隙水壓力最終達(dá)到初始壓力。一方面分析00650055厚松散層條件下采動引起的底部含水層和淺部隔0045水層的土體固結(jié)現(xiàn)象，另一方面通過此工況條件—10l2345678HGNJ／1f)^s下的模擬來比較底部
8、含水層疏放與未疏放對地表圖2體積應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線下沉的影響[2]。由于頂板含水層的孔隙水壓力的4．O6變化對頂板基巖不會造成巖石的固結(jié)
