煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：建立數(shù)值計(jì)算模型，整個(gè)模型由12層煤巖層組成，其中2號(hào)煤層上方第4層為主要的砂巖含水層，第3層泥巖為隔水關(guān)鍵層；當(dāng)該層隔水關(guān)鍵層為20m時(shí)，模型延走向長(zhǎng)度為600m，高為300m，劃分為250×263共65750個(gè)單元，巖體只承受自重應(yīng)力和水壓力；邊界條件為兩端水平約束，底端固定，設(shè)定周邊為隔水邊界。通過分步開挖來模擬導(dǎo)水裂隙發(fā)育的過程沿；模型走向左側(cè)100m開始開挖，共推進(jìn)400m，采高5m，每步開挖10m，共分40步。本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段，模擬了離層形成過程，總結(jié)了頂板次生離層水害的周期性。
【專利說明】
煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及煤層頂板離層水害防治領(lǐng)域，具體設(shè)及一種煤礦離層水周期突水致災(zāi) 的數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)煤礦水害頻發(fā)，尤其是在沒有較強(qiáng)含水層的條件下出現(xiàn)的頂板潰水致災(zāi)，如 神華寧煤集團(tuán)紅柳煤礦2煤開采礦井充水水源主要來自其頂板保羅系直羅組底部粗砂巖裂 隙孔隙含水層，該含水層富水性弱。1121工作面在2009年9月份開始回采到2010年3月份共 推進(jìn)了 186m，卻經(jīng)歷了 4次集中涌水，最大涌水量高達(dá)3000mVh。陜西銅川焦坪礦區(qū)玉華煤 礦4^2煤層充水水源主要來自頂板白聖系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層，該含水層為 弱含水層。1412工作面在2012年3月至2013年5月發(fā)生6次突水事故，瞬時(shí)突水最大達(dá) 2000mVh，嚴(yán)重影響了工作面回采速度?；幢钡V業(yè)集團(tuán)海孜煤礦2005年5月21日發(fā)生頂板突 水，最大流量達(dá)3887mVh，瞬時(shí)淹沒工作面、機(jī)巷和風(fēng)巷，造成5人死亡。類似事故在陜西彬 長(zhǎng)火石巧及大佛寺礦、永晚崔木、郭家河煤礦；山東華豐煤礦；四川南桐煤礦、魚田堡煤礦； 重慶打通一礦、安徽新集煤礦、撫順老虎臺(tái)煤礦等均有發(fā)生。此類災(zāi)害具有危害大、前兆不 明顯、突水瞬間水量大、但總量較小、突水征兆不明顯、且存在周期性的頂板突水特征，引起 了廣泛關(guān)注和重視，王經(jīng)明、李文平等經(jīng)過深入研究將其定義為煤層頂板次生離層水害。張 建全等對(duì)煤層開采離層的形成機(jī)制和發(fā)育規(guī)律做了相關(guān)研究。喬偉等分析離層水形成的基 本條件，對(duì)可能產(chǎn)生離層的位置進(jìn)行判別計(jì)算，研究了采高和離層水突水的關(guān)系W及工作 面推進(jìn)速度與離層空間積水量的關(guān)聯(lián)性。朱衛(wèi)兵W等采用工程探測(cè)和理論分析的方法研究 了海孜煤礦745工作面突水機(jī)制，認(rèn)為此突水是在離層區(qū)積水的載荷傳遞作用下破壞了覆 巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)而造成的。程新明，趙團(tuán)芝等通過對(duì)海孜礦發(fā)生特大頂板突水工作面的充水 條件分析，認(rèn)為工作面采動(dòng)疊加影響，在頂板厚層砂巖中形成的離層積水，是突水的主要充 水水源。李忠凱等通過水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件分析，認(rèn)為海孜礦5.21突水事故的水源來自 煤層頂板砂巖離層積水，是在復(fù)雜水文工程地質(zhì)條件下，采煤工作面頂板產(chǎn)生的一種動(dòng)態(tài) 突水水源。王爭(zhēng)鳴等利用相似材料模型和數(shù)值模型模擬了新集礦區(qū)1307工作面煤層開采覆 巖離層現(xiàn)象，確定了頂板水害為次生離層水包破裂所致。目前，研究成果主要集中于離層形 成機(jī)理、分布規(guī)律及離層注漿減沉的工程應(yīng)用等方面，但對(duì)于離層水形成條件及其涌突水 機(jī)理等研究較少，特別是離層水動(dòng)態(tài)周期性的規(guī)律鮮見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法， 模擬了離層形成過程，總結(jié)了頂板次生離層水害的周期性。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0005] 煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：
[0006] 建立數(shù)值計(jì)算模型，整個(gè)模型由12層煤巖層組成，其中2號(hào)煤層上方第4層為主要 的砂巖含水層，第3層泥巖為隔水關(guān)鍵層；當(dāng)該層隔水關(guān)鍵層為20m時(shí)，模型延走向長(zhǎng)度為 600m，高為300m，劃分為250 X 263共65750個(gè)單元，巖體只承受自重應(yīng)力和水壓力;邊界條件 為兩端水平約束，底端固定，設(shè)定周邊為隔水邊界。通過分步開挖來模擬導(dǎo)水裂隙發(fā)育的過 程沿;模型走向左側(cè)IOOm開始開挖，共推進(jìn)400m，采高5m，每步開挖10m，共分40步
[0007] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0008] 采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段，模擬了離層形成過程，總結(jié)了頂板次生離層水害的周 期性。研究表明：離層是由于主采煤層的覆巖力學(xué)性質(zhì)差異較大，當(dāng)煤層開采致使覆巖產(chǎn)生 不協(xié)調(diào)一致的彎曲下沉而產(chǎn)生。隨著工作面的推進(jìn)，離層形成后持續(xù)發(fā)育至極值，當(dāng)上方有 充水水源時(shí)，則形成離層水。此時(shí)，若導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度凸躍發(fā)展導(dǎo)通離層水體時(shí)，該離 層水將潰入井下造成離層水害。然后離層逐漸壓實(shí)萎縮，水體流失殆盡。隨著煤層頂板周期 性破斷，離層水害周期性發(fā)生。離層動(dòng)態(tài)周期出現(xiàn)的規(guī)模各不相同，其中W第一次出現(xiàn)的離 層空間規(guī)模為最大，對(duì)應(yīng)的離層次生水害亦最大。研究區(qū)工作面每推進(jìn)100m，離層水害動(dòng)態(tài) 發(fā)生1次。
【附圖說明】
[0009 ]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的RFPA數(shù)值計(jì)算模型。
[0010] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)IOm時(shí)的模型開挖時(shí)的彈性模量圖
[0011] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)30m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0012] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)60m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0013] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)90m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0014] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)120m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[001日]圖7為本發(fā)明實(shí)施例工作面推化50m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0016] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)190m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0017] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)210m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0018] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)240m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0019] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)240m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0020] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例工作面推進(jìn)270m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0021] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)300m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0022] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例工作面推進(jìn)330m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0023] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例工作面推進(jìn)360m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0024] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例中工作面推進(jìn)400m的模型開挖時(shí)的彈性模量圖。
[0025] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例中模型1-14應(yīng)力矢量圖。
[0026] 圖中，（a)工作面推進(jìn)30m; (b)工作面推進(jìn)60m; (C)工作面推進(jìn)90m; (d)工作面推進(jìn) 120m; (e)工作面推進(jìn)210m; (f)工作面推進(jìn)240m
[0027] 圖18為本發(fā)明實(shí)施例中1-14模型的導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育過程圖。
[0028] 圖19為本發(fā)明實(shí)施例中1-14模型的地表下沉值和工作面推進(jìn)距離關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0030] 實(shí)施例
[0031] W下實(shí)施例中的煤礦1121綜采工作面范圍內(nèi)有鉆孔化504、化604和化704,結(jié)合礦 井綜合柱狀圖，WH1604鉆孔作為主，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。見?和表2。本實(shí)施例采用力軟科技 (大連)股份有限公司開發(fā)的真實(shí)破裂過程分析系統(tǒng)RFPA滲流版進(jìn)行數(shù)值模擬。所使用的主 采煤層覆巖中產(chǎn)生離層的判別方法，包括如下步驟：
[0032] 將幾層巖性不同的巖層形成組合關(guān)鍵層，并可將其視為一個(gè)單一巖層，將若干個(gè) 單一巖層組合構(gòu)成若干組組合板，在每一組組合板中，第n層巖層對(duì)該組最下面的第1層巖 層的載荷：
[0033]
[0034] 式中，Ei,E2,…，En為各層的彈性模量，n為該組巖層數(shù)（由下而上排列）山，h2,…， hn為各層的厚度;Pl，P2,…，Pn為各層的密度。如果計(jì)算出qn,l〉qn+l,l，就說明n+1層巖層對(duì)第1 層巖層施加不到載荷了，則可斷定在第n層與第n+1層之間產(chǎn)離層；
[0035] 離層的發(fā)生須滿足不等式，qn, i〉qn+i, 1，即
[0036]
[0037] 整理后得離層發(fā)生的判別式：
[00；3 引
；
[0039] 若符合上述判別式，則判定主采煤層覆巖中已產(chǎn)生離層。
[0040] 表1綜采工作面2號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性簡(jiǎn)表
[0041]
[0042]
[
[
[0045] 整個(gè)模型由12層煤巖層組成，其中2號(hào)煤層上方第4層為主要的砂巖含水層，第3層 泥巖為隔水關(guān)鍵層。當(dāng)該層隔水關(guān)鍵層為20m時(shí)，模型延走向長(zhǎng)度為600m，高為300m，劃分為 250X263共65750個(gè)單元，巖體只承受自重應(yīng)力和水壓力。邊界條件為兩端水平約束，底端 固定，設(shè)定周邊為隔水邊界。通過分步開挖來模擬導(dǎo)水裂隙發(fā)育的過程沿。模型走向左側(cè) IOOm開始開挖，共推進(jìn)400m，采高5m，每步開挖10m，共分40步。數(shù)值計(jì)算模型如圖1。
[0046] 含水層的水壓力在之前的研究中往往忽略，運(yùn)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有較大出入。 為了克服該因素的影響，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型，在模型中考慮了含水層的水 壓在開采過程中對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響，建模時(shí)給含水層賦50m的水頭，研究導(dǎo)水裂隙 發(fā)育規(guī)律及煤層開采對(duì)覆巖砂巖含水層的影響。
[0047] (1)離層發(fā)生發(fā)展過程
[004引煤礦地下開采過程中，隨著地下開采工作面的推移，破壞了覆巖體的自然應(yīng)力平 衡狀態(tài)，采空區(qū)上覆巖層由于重新分布的次生應(yīng)力場(chǎng)的作用，巖層內(nèi)部的應(yīng)力也重新分布 W達(dá)到新的平衡。上覆巖層要發(fā)生斷裂、冒落、彎曲和下沉，運(yùn)種運(yùn)動(dòng)變化由下向上逐步發(fā) 展，至地表而形成地表沉陷。上覆巖層由于巖性，距離采空區(qū)位置，厚度等的不同，而導(dǎo)致巖 層的運(yùn)動(dòng)并不是完全同步一致的，從而出現(xiàn)了覆巖運(yùn)動(dòng)在垂向上的位移差，形成離層空間。
[0049] 由于1121工作面隔水關(guān)鍵層厚度平均20m，因此本節(jié)將W20m的隔水關(guān)鍵層(泥巖） 為主要研究對(duì)象，模擬工作面開采過程中，覆巖離層發(fā)育特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度規(guī)律。
[0050] 為了消除邊界效應(yīng)，在距離模型左右兩側(cè)各留IOOm煤柱。當(dāng)開挖第1步，即工作面 推進(jìn)IOm時(shí)，工作面覆巖沒有跨落現(xiàn)象(圖2);
[0051] 當(dāng)開挖第3步，當(dāng)工作面推進(jìn)至30m時(shí)，上覆巖層懸露，在重力的作用下彎曲巖梁懸 露的跨度達(dá)到一定的跨度后，彎曲沉降發(fā)展到臨界強(qiáng)度，在巖梁的端部開裂，煤層直接頂中 的粉砂巖出現(xiàn)離層現(xiàn)象，并伴隨著部分砂巖第一次跨落，覆巖中的裂隙有向上發(fā)展的趨勢(shì)， 此時(shí)跨落帶高度約為8.5m(圖3)。
[0052] 當(dāng)開挖第6步時(shí)，即開挖長(zhǎng)度達(dá)60m時(shí)，頂板來壓較為猛烈，出現(xiàn)第二次大范圍的跨 落。離層快速向上發(fā)展，覆巖中最上面的離層裂隙距離煤層頂板達(dá)到18m，離層裂縫最大寬 度5m?？缏浣菫?4%跨落帶高度為12.5m。此時(shí)覆巖中第2層巖層中的地下水將導(dǎo)入采空區(qū)， 即n下含水層被導(dǎo)通，而Eii含水層未被導(dǎo)通。如圖4所示。
[0053] 當(dāng)開挖到第9步，即開挖長(zhǎng)度為90m時(shí)，第3層巖層即關(guān)鍵隔水層(泥巖)與第4層巖 層即主要含水層(巖性為粗砂巖)之間第一次出現(xiàn)離層。此時(shí)離層最大寬度為10.2m，高度為 0.5m。該離層可能成為儲(chǔ)水空間?？缏涓叨壤^續(xù)向上擴(kuò)展發(fā)育，達(dá)到25.8m，跨落角為60%如 圖5所示。
[0054] 當(dāng)開挖到第12步，即開挖長(zhǎng)度為120m時(shí)，第3層巖層與第4層之間之前出現(xiàn)離層持 續(xù)發(fā)育。此時(shí)離層最大寬度為20.5m，高度為1.5m。該離層儲(chǔ)水能力急劇增大。跨落高度繼續(xù) 向上擴(kuò)展發(fā)育，達(dá)到42.Om,跨落角為58°。此時(shí)跨落帶高度已經(jīng)發(fā)育到第3層巖層即隔水關(guān) 鍵層的底部。第3層內(nèi)部靠近工作面推進(jìn)方向出現(xiàn)了拉張裂縫，但是該裂縫同跨落帶沒有溝 通，如圖6所示。
[0055] 當(dāng)開挖到第15步，即開挖長(zhǎng)度為150m時(shí)，第3層巖層與第4層之間之前出現(xiàn)離層發(fā) 育到最大。此時(shí)離層最大寬度為76.8m，高度為2.5m。該離層儲(chǔ)水能力增大到最大。自開挖第 12步到第15步跨落高度已經(jīng)不能向上擴(kuò)展發(fā)育，保持42.Om,跨落角為58°。此時(shí)跨落帶高度 已經(jīng)發(fā)育到第3層巖層即隔水關(guān)鍵層的底部。第3層內(nèi)部靠近工作面推進(jìn)方向出現(xiàn)的拉張裂 縫持續(xù)擴(kuò)大，有同跨落帶貫通的跡象，如圖7所示。
[0056] 當(dāng)開挖到第19步，即開挖長(zhǎng)度為190m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)第二次出現(xiàn)離層，第一次離層靠近工作面推進(jìn)方向上出現(xiàn)閉合壓縮減小的現(xiàn)象。 此時(shí)第二次離層最大寬度為5.5m，高度為0.4m。工作面后方采空區(qū)部分被上覆巖層跨落后 充填。煤層頂板中的第2層又出現(xiàn)離層?？缏涓叨纫呀?jīng)發(fā)育完畢，保持42.Om,跨落角為58°。 此時(shí)跨落帶高度已經(jīng)發(fā)育到第3層巖層即隔水關(guān)鍵層的底部。如圖8所示。
[0057] 當(dāng)開挖到第21步，即開挖長(zhǎng)度為210m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)第二次出現(xiàn)的離層繼續(xù)擴(kuò)展，第一次離層靠近工作面推進(jìn)方向上繼續(xù)壓縮減小。 此時(shí)第二次離層最大寬度為17.3m，高度為0.8m。工作面后方采空區(qū)部分被上覆巖層跨落后 充填。煤層覆巖第2層中離層發(fā)育劇烈。導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至第3層中部，約為50.0m。此時(shí) 第4層含水層處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)。如圖9所示。
[0058] 當(dāng)開挖到第24步，即開挖長(zhǎng)度為240m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)第二次出現(xiàn)的離層繼續(xù)擴(kuò)展。離層最大寬度為33.3m，高度為1.3m。煤層覆巖第2層 中離層發(fā)育劇烈。第5層與第4層巖層接觸面上發(fā)育有140m，最大高約0.3m的離層。導(dǎo)水裂隙 帶高度發(fā)育至第4層中部，約為60m。此時(shí)第4層含水層處于導(dǎo)通狀態(tài)。但是在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā) 現(xiàn)，由于第3層隔水層為泥巖，隨著工作面推進(jìn)，上覆圍壓增大，導(dǎo)水裂隙帶被泥巖破碎體 填充，彌合了導(dǎo)水裂隙，阻止了含水層中的地下水潰入工作面。地表出現(xiàn)大范圍的下沉盆 地。如圖10和圖11所示。
[0059] 當(dāng)開挖到第27步，即開挖長(zhǎng)度為270m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)第S次離層。第S次離層最大寬度達(dá)到33.6m，高度為0.9m。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)， 煤層覆巖第2層前方離層發(fā)育劇烈，后方離層依次壓實(shí)閉合。覆巖中離層繼續(xù)向上發(fā)展，第6 層與第5層巖層接觸面出現(xiàn)離層。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度仍為60m。如圖12所示。
[0060] 當(dāng)開挖到第30步，即開挖長(zhǎng)度為300m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)的第=次離層繼續(xù)發(fā)育。第二次離層不再增大，第一次離層逐漸被壓實(shí)，長(zhǎng)度和高 度均有大幅度的減少。第6層與第5層巖層接觸面離層突然增大，長(zhǎng)度可達(dá)152m，導(dǎo)水裂隙帶 發(fā)育高度仍為60m。如圖13所示。
[0061] 當(dāng)開挖到第33步，即開挖長(zhǎng)度為330m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)的第=次離層繼續(xù)發(fā)育。該離層寬度達(dá)15.9m，最大高度達(dá)1.1m，第二次離層逐漸 被壓實(shí)，長(zhǎng)度和高度均有大幅度的減少。第6層與第5層巖層接觸面離層逐漸被壓實(shí)。導(dǎo)水裂 隙帶發(fā)育高度仍為60m。如圖14所示。
[0062] 當(dāng)開挖到第36步，即開挖長(zhǎng)度為360m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與第4層 之間出現(xiàn)的第=次離層繼續(xù)發(fā)育。該離層寬度達(dá)57.3m，最大高度達(dá)2. Im,第二次和第一次 形成的離層均逐漸被壓實(shí)，長(zhǎng)度和高度均有大幅度的減少。第6層與第5層巖層接觸面離層 逐漸被壓實(shí)。此時(shí)覆巖從第2層到第8層巖層接觸面及內(nèi)部均有離層發(fā)育。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育 高度仍為60m，如圖15所示。
[0063] 當(dāng)開挖到第40步，即開挖長(zhǎng)度為400m(終采)時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上第3層巖層與 第4層之間出現(xiàn)的第四次離層繼續(xù)發(fā)育。該離層寬度達(dá)9.3m，最大高度達(dá)0.8m，第S次、第二 次和第一次形成的離層均逐漸被壓實(shí)，長(zhǎng)度和高度均有大幅度的減少。第6層與第5層巖層 接觸面離層逐漸被壓實(shí)。此時(shí)覆巖從第2層到第8層巖層接觸面及內(nèi)部均有離層發(fā)育，后方 離層逐漸被壓實(shí)。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度仍為60m，如圖16所示。
[0064] (2)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過程
[0065] 應(yīng)力矢量圖可W反映出開采過程中，覆巖應(yīng)力的變化情況和導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情 況。圖17中綠色的滲流跡線發(fā)展最大高度即為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度。制作隨著工作面 向前推進(jìn)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)生變化時(shí)的應(yīng)力矢量圖（見圖18)，然后對(duì)其進(jìn)行分析，可W得 出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的特征。
[0066] 從圖17(a)可見，當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí)，在采空區(qū)中部主要發(fā)育拉張應(yīng)力，而采空區(qū) 兩端主要為擠壓應(yīng)力，應(yīng)力的方向在臨近采空區(qū)處W水平方向?yàn)橹鳎嚯x采空區(qū)較遠(yuǎn)的 地方則斜指向采空區(qū)中部。結(jié)合圖2,此時(shí)巖層發(fā)生了破裂、離層現(xiàn)象，但具有導(dǎo)水意義裂隙 僅在采空區(qū)頂板存在，高度為8.5m。當(dāng)工作面推進(jìn)到60m時(shí)，應(yīng)力分布的大小發(fā)生較大變化， 但應(yīng)力方向變化不明顯，此時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度增加，為12.5m(圖17(b))。隨著開采的進(jìn)一 步進(jìn)行，擠壓應(yīng)力方向的分布特點(diǎn)仍W采空區(qū)中部為水平方向而兩側(cè)為V形為主，數(shù)值有所 增加；同時(shí)，拉張應(yīng)力在采空區(qū)兩側(cè)的分布范圍逐漸擴(kuò)大，數(shù)值增加。在工作面推進(jìn)至90m 時(shí)，擠壓應(yīng)力在采空區(qū)中部W水平方向?yàn)橹鳎趦蓚?cè)則出現(xiàn)拉張應(yīng)力，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高 度增加至25.8m(圖17(c))。在工作面推進(jìn)至120m時(shí)，擠壓應(yīng)力在采空區(qū)中部W水平方向?yàn)?主，而在兩側(cè)對(duì)稱出現(xiàn)拉張應(yīng)力，導(dǎo)水裂隙帶高度出現(xiàn)在采空區(qū)的正上方，高度增加至42m (圖17(d))。此后導(dǎo)水裂隙帶高度出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定現(xiàn)象，即工作面推進(jìn)至140m，160m，180,200m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度只有少量增加；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到210m時(shí)，采空區(qū)上方基巖巖層的擠 壓、拉張應(yīng)力逐漸向上發(fā)展，而近地表松散巖層的擠壓、拉張應(yīng)力則向下發(fā)展，應(yīng)力分布特 點(diǎn)與之前相似。此時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度表現(xiàn)出了跳躍式增加的特點(diǎn)，增加至50m(圖17(e))。 當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到240m時(shí)，采空區(qū)上方基巖巖層拉張應(yīng)力逐漸向上發(fā)展，地表松散巖層 的擠壓、拉張應(yīng)力持續(xù)向下發(fā)展，導(dǎo)水裂隙帶高度增加至620m(圖17(f))。此后，導(dǎo)水裂隙帶 高度就不再隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)而繼續(xù)增加。亦即該工作面最大導(dǎo)水裂隙帶高度為60m。
[0067] 為了更好的研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，將模擬計(jì)算中每一步的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情 況提取數(shù)據(jù)做出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度圖，如圖18所示。從圖18中可W看出，工作面的推進(jìn)距 離直接影響著裂隙的發(fā)育高度，導(dǎo)水裂隙帶隨著煤層的開采、覆巖的沉降、離層、破壞的形 成具有從發(fā)生、發(fā)育(上升）、最大高度、穩(wěn)定的發(fā)育過程，運(yùn)符合導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。此 次實(shí)驗(yàn)可W看出，導(dǎo)水裂隙帶高度出現(xiàn)兩次跳躍發(fā)展過程。工作面推進(jìn)30m時(shí)，裂隙帶逐漸 顯現(xiàn)，高度為8.5m;工作面推進(jìn)到60m之前，覆巖破壞范圍雖然逐漸擴(kuò)大，但是裂隙高度仍發(fā) 育緩慢;60m至120m之間，裂隙帶高度急劇上升，由12.5m跳躍式上升到42m，此階段裂隙帶的 發(fā)育高度幾乎和工作面推進(jìn)距離呈正比例關(guān)系，為第一次跳躍發(fā)展過程。此后導(dǎo)水裂隙帶 暫時(shí)穩(wěn)定在該高度，工作面上方出現(xiàn)離層現(xiàn)象，是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，阻止了裂隙的向上發(fā) 展。當(dāng)工作面從190m增加到240m時(shí)，裂隙帶高度急劇上升，由42m跳躍式上升到60m，此階段 裂隙帶的發(fā)育高度幾乎和工作面推進(jìn)距離呈正比例關(guān)系，為第二次跳躍發(fā)展過程。
[0068] (3)地表下沉過程
[0069] 由圖19可見，隨著工作面推進(jìn)地表下沉起動(dòng)距約為85m，當(dāng)工作面推進(jìn)至240m時(shí)， 地表下沉急劇增大至1560mm。當(dāng)工作面推進(jìn)至350m時(shí)，地表下沉至最大，達(dá)到充分采動(dòng)，最 大地表下沉為3500mm。
[0070] 綜上所述可知，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度決定了離層水的聚集和流失，而覆巖應(yīng)力 分布是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的誘發(fā)因素，地表移動(dòng)變形是其在地表的表現(xiàn)。圖18中的導(dǎo)水裂隙 帶高度的兩次跳躍式增長(zhǎng)對(duì)應(yīng)地表都出現(xiàn)劇烈的下沉表現(xiàn)，而離層水都有滲流的現(xiàn)象。因 此，離層發(fā)育特征與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育、覆巖應(yīng)力分布W及地表移動(dòng)下沉具有緊密的關(guān)聯(lián)性。
[0071] 數(shù)值模擬結(jié)果分析
[0072] 由于煤層開采，下分層含水層的水被導(dǎo)入工作面，因富水性弱，正常涌水量為 ISm3A。隨著工作面推進(jìn)，隔水層與上分層含水層之間出現(xiàn)離層，上分層含水層補(bǔ)給離層形 成離層水，使得離層成為了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的"儲(chǔ)水體"，此時(shí)整個(gè)地層處于平衡狀態(tài)，隨著工 作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板破壞強(qiáng)度加大，原先的平衡被打破，離層水瞬間潰入礦井，造成突水。 離層水在較短的時(shí)間內(nèi)流失殆盡，伴隨離層空間減少，礦井涌水量恢復(fù)正常，伴隨著周期 來壓，老頂跨落、斷裂，重新形成離層水，隨著工作面的推進(jìn)，新的平衡又被打破，又造成離 層水的潰入井下，形成新的突水事故。突水周而復(fù)始，動(dòng)態(tài)周期性的發(fā)生。
[0073] 綜上所述，
[0074] (1)研究區(qū)主采煤層覆巖中第3層20m厚的泥巖和第4層40m厚砂巖之間可W形成離 層水。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)工作面推進(jìn)到loom時(shí)，大型儲(chǔ)水離層第一次出現(xiàn)。該離層最終發(fā) 展為寬度為76.8m，高度為2.5m的離層儲(chǔ)水空間。
[0075] (2)數(shù)值模擬表明，開采400m的工作面，離層水害周期性的出現(xiàn)4次，平均每推進(jìn) 100m，形成1次大型離層水害。因此，離層水害形成的動(dòng)態(tài)周期約為100m。隨著工作面的推 進(jìn)，離層形成后持續(xù)發(fā)育至極值，然后逐漸萎縮。離層動(dòng)態(tài)周期出現(xiàn)的規(guī)模各不相同，其中 W第一次出現(xiàn)的離層空間規(guī)模為最大。離層水害發(fā)生的周期性與煤層頂板周期性破斷有著 密切的關(guān)系。
[0076] (3)離層水害周期性形成4次，對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育呈現(xiàn)2次凸躍性增長(zhǎng)，因此離層 水害的動(dòng)態(tài)周期性特征與導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育呈現(xiàn)正相關(guān)性。離層形成的周期離層水害形 成，是由于隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度凸躍發(fā)展導(dǎo)通離層水體的結(jié)果。研 究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度最終為60m。
[0077] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.煤礦離層水周期突水致災(zāi)的數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括如下步驟： 建立數(shù)值計(jì)算模型，整個(gè)模型由12層煤巖層組成，其中2號(hào)煤層上方第4層為主要的砂 巖含水層，第3層泥巖為隔水關(guān)鍵層；當(dāng)該層隔水關(guān)鍵層為20m時(shí)，模型延走向長(zhǎng)度為600m， 高為300m，劃分為250 X 263共65750個(gè)單元，巖體只承受自重應(yīng)力和水壓力；邊界條件為兩 端水平約束，底端固定，設(shè)定周邊為隔水邊界。通過分步開挖來模擬導(dǎo)水裂隙發(fā)育的過程 沿;模型走向左側(cè)l〇〇m開始開挖，共推進(jìn)400m，采高5m，每步開挖10m，共分40步。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021762SQ201610368278
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】孫學(xué)陽, 劉自強(qiáng), 何拓平, 付恒心, 侯東萍
【申請(qǐng)人】西安科技大學(xué)