深部礦井開采過程中的多場耦合特征

徐百超

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

隨著煤炭資源的持續(xù)開采，淺、中部范圍的煤炭資源越來越少，煤炭生產(chǎn)不得不逐步往深部轉(zhuǎn)移，伴隨而來的是高地應(yīng)力、高地溫、高水壓和沖擊擾動。深部巖體“高地應(yīng)力、高承壓水壓及高地溫”在采礦擾動作用下的特殊地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，是導(dǎo)致深部開采中突水事故出現(xiàn)多發(fā)性和突發(fā)性的根本原因所在[1]。在thm 耦合方面國內(nèi)外學(xué)者對多場耦合開展了研究。國外學(xué)者Tsang C F 在Biot 理論的基礎(chǔ)上基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒提出了不同的thm 耦合模型[2]。盛金昌等基于單相飽和巖體熱彈性多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力原理建立熱流固耦合非線性數(shù)學(xué)模型，并給出了多場耦合方程組[3]。

1 多場耦合作用機(jī)理

深部巖體在開采擾動下，巖體應(yīng)力場的變化引起巖體孔隙率及滲透特性的變化，從而引起滲流場的變化，而液體的滲流作用又會影響應(yīng)力的分布。隨著工作面深度的不斷增加，伴隨而來的高地溫一方面影響應(yīng)力的分布，以熱應(yīng)力、巖石熱膨脹和巖石的力學(xué)性質(zhì)改變等方式呈現(xiàn)，而巖體的變形、固體介質(zhì)之間的傳熱又會影響巖體溫度；另一方面溫度的變化影響孔隙流體的粘滯性從而改變滲流場，滲流場中液體與固體介質(zhì)進(jìn)行熱交換從而影響溫度場。

2 工程背景

以安居煤礦3上煤層為研究背景，3上煤層位于山西組的上部，是該區(qū)主采煤層。其工作面標(biāo)高為-979～ -983 m，煤厚2.10～4.60 m，平均厚度約為3 m，開采系數(shù)100%，煤層傾角為2°～8°，平均傾角5°，為近水平煤層。煤層上覆巖層主要由泥巖、礫巖、砂巖組成，為完整巖層；底板由泥巖和粉砂巖組成，屬于穩(wěn)定煤層。

3 模型的建立

運(yùn)用多物理場耦合數(shù)值模擬軟件Comsol Multiphysics 建立數(shù)值模擬計算模型。

模型的巖石力學(xué)參數(shù)及厚度見表1。

4 邊界條件及計算方案

模型上部邊界施加邊界載荷代替上部巖體重力，左右兩邊界為滑動輥支撐，下邊界為固定約束。整個模型初始位移為0，并開啟模型自重效應(yīng)。含水灰?guī)r上邊界設(shè)置初始水壓代替含水層壓力，模型上邊界與左右邊界無水壓力，四邊界設(shè)置無流動。根據(jù)礦井資料，上邊界溫度36℃，下邊界44℃，數(shù)值模擬以參數(shù)化掃描的形式進(jìn)行，每步10 m，開挖9 步，水壓增幅為2 MPa。

圖1 數(shù)值計算模型

表1 巖層厚度及力學(xué)參數(shù)

5 計算結(jié)果及分析

（1）煤層開采過程中應(yīng)力的分布

圖2 不同開挖進(jìn)尺下的應(yīng)力分布圖

水壓為2 MPa，在煤層開挖30 m、50 m、70 m、90 m 時的應(yīng)力分布圖如圖2 所示。隨著開挖進(jìn)尺不斷增加，采場頂?shù)装鍛?yīng)力分布變化較大，其最大應(yīng)力分別為63.8 MPa、84.8 MPa、104 MPa、122 MPa。在開采擾動的影響下，巖體原有應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和卸荷區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在工作面兩側(cè)與工作面前方的煤巖壁，兩者應(yīng)力集中區(qū)域在工作面與巷道的拐角處疊加。當(dāng)支承壓力小于煤壁的極限強(qiáng)度時，支承壓力的最大值出現(xiàn)在煤壁處，煤壁處于彈性壓縮狀態(tài)；當(dāng)支承壓力超過煤壁的極限強(qiáng)度時，煤壁被破壞，支承能力降低，煤壁處于塑性壓縮狀態(tài)。卸荷區(qū)出現(xiàn)在采場頂板上方巖層與采場底板下方巖層，在上覆巖體的重力作用下，頂板巖層容易出現(xiàn)垮落破壞，開采擾動下底板巖層發(fā)生位移、破壞，促進(jìn)了巖體裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展，加快了地下水在巖層中的導(dǎo)升速率，最終可能使得裂隙導(dǎo)通含水層造成底板突水事故。開采擾動后的應(yīng)力再分布，是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。

（2）煤層開挖過程中水壓分布

圖3 水壓分布等值線圖

如圖3 所示，開挖進(jìn)尺分別為30 m、70 m，承壓水壓力分別為2 MPa、4 MPa 時的等值線分布。承壓含水層的理論水壓力分布在采場底板下方出現(xiàn)集中分布，越是靠近采空區(qū)底板的中部其水壓分布越密集，距離含水層越近其理論水壓越大。隨著含水層水壓的增大，工作面底板水壓分布變得更加密集，水壓數(shù)值也隨之增大。工作面推進(jìn)過程，采場底板出現(xiàn)了卸荷區(qū)，在礦山壓力與承壓水水壓的共同作用下，底板巖體先壓縮后膨脹，導(dǎo)致工作面底板巖層失穩(wěn)破壞，出現(xiàn)底板巖層采動破壞帶，使底板巖體產(chǎn)生更多的裂隙和孔隙，同時承壓含水層中的液體對完整巖層的動力沖刷，以及孔隙水的靜水壓力的作用，進(jìn)一步促進(jìn)了裂隙的破壞與導(dǎo)通，使得承壓水通過巖體的裂隙向上導(dǎo)升最終有可能導(dǎo)通底板采動破壞帶進(jìn)入采掘工作面引起底板突水。

（3）煤層開挖過程中的溫度分布

如圖4 所示為不同開挖進(jìn)尺與水壓下的溫度分布圖。初始開挖時等溫線密集地分布在工作面頂?shù)装甯浇?，隨著工作面的不斷前進(jìn)，由于熱量在空間中的傳遞，工作面附近溫度不斷升高，并逐漸在采場底板密集分布。隨著工作面的前進(jìn)，圍巖散熱同時進(jìn)行，工作面附近溫度逐漸與圍巖溫度持平，溫差減小。底板等溫線密集的原因一方面是隨著深度的加深，巖體溫度會逐漸升高，下部巖體與上部巖體溫差較大；一方面是開采擾動導(dǎo)致的底板位移變形破壞，會產(chǎn)生熱量，會加快熱量的傳遞。隨著水壓的升高，整體的溫度等值線是逐漸上移的，水壓對溫度分布的影響在工作面底板尤為明顯。水壓的增高，促進(jìn)了流場在整個底板巖體空間內(nèi)的滲流作用，靜水壓力升高，促進(jìn)了底板巖體裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展，在裂隙發(fā)育擴(kuò)展的同時巖體的變形會產(chǎn)生一定的熱量，流體的壓縮也會產(chǎn)生一定的熱量，主要是深部高溫承壓水沿著巖體裂隙向上導(dǎo)升，與固體介質(zhì)的熱量交換導(dǎo)致了等溫線的上升。

圖4 溫度分布等值線圖

6 結(jié)論

（1）在開采擾動下原有應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布。在煤層開挖過程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力集中分布在工作面前方煤巖壁與開切眼兩側(cè)，采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)卸荷區(qū)。

（2）承壓水壓力集中分布在采場底板，隨著工作面的推進(jìn)，水壓分布更密集，底板所受水壓也不斷增大。開采擾動下的應(yīng)力場-滲流場耦合作用是導(dǎo)致底板突水事故發(fā)生的重要因素。

（3）采深的增加，伴隨而來的是巖體溫度升高，隨著開采工作面的推進(jìn)，工作面附近溫度逐漸升高，并與周圍巖體保持一致。含水層水壓的的升高會使巖體溫度等值分布上移，高水壓促進(jìn)了滲流場-溫度場之間的耦合作用，工作面附近溫度變化最為明顯。