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发布时间：2021-11-22 16:29所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：为准确研究深井采空区覆岩冒落特征及孔隙率分布规律，利用FLAC3D模拟软件建立了深部煤矿工作面的采空区物理模型，模拟了覆岩在采动过程中的破坏变形和冒落规律，确定两带的最大高度，定量分析覆岩应力、位移分布规律，建立了采空区孔隙率的三维分布模型，并将孔
摘要：为准确研究深井采空区覆岩冒落特征及孔隙率分布规律，利用FLAC3D模拟软件建立了深部煤矿工作面的采空区物理模型，模拟了覆岩在采动过程中的破坏变形和冒落规律，确定“两带”的最大高度，定量分析覆岩应力、位移分布规律，建立了采空区孔隙率的三维分布模型，并将孔隙率函数模型导入FLUENT软件，模拟深井采空区的氧气浓度场和瓦斯运移规律，验证其孔隙率模型的适用性。研究表明：冒落带的范围距离煤层上方17m，裂隙带的范围在煤层上方17~64m。走向方向上，支撑压力峰值随着工作面的推进而不断增大，下沉量由工作面向采空区深处逐渐变大;在倾向方向上，以采空区中心为原点垂直应力呈对称分布，下沉量呈中间大，两边小分布;垂直方向上，支撑压力峰值距离煤层越远越小。采空区孔隙率呈“簸箕”状，在煤壁处较大，中部低。采空区氧气浓度和瓦斯运移的变化趋势与实际井下情况相符合，验证了孔隙率函数模型的适用性。
关键词：覆岩冒落;采空区;孔隙率;下沉量;数值模拟
0引言
由于浅部煤炭资源逐渐枯竭，深部煤炭开采已趋于常态。但是随着深部开采中高地应力、高地温、高渗透压的“三高”现象显现，深部开采赋存环境的复杂性使得深部开采覆岩的变形破坏以及移动规律不能再以浅部开采条件的地质特征进行分析。深井煤矿采空区在高地应力环境下，易引起采空区覆岩不同位置孔隙率的变化，而孔隙率的变化对采空区遗煤自燃的氧化进程有较大影响。
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准确掌握深部开采时采空区孔隙率分布规律对研究采空区煤自燃环境及确定工作面合理的通风方式等具有重要的意义。国内外很多学者对覆岩冒落规律和采空区孔隙率进行了研究，钱鸣高院士提出了采场上覆岩体结构的“砌体梁”力学模型和岩层控制的关键层理论;许家林，钱鸣高等采用实验研究和数值模拟,探究了覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征;李树刚、钱鸣高、Bai和Elsworth分别采用相似实验和数值模拟，研究了覆岩裂隙发育区域内孔隙及渗透系数变化规律.
张辛亥根据采空区矿压分布和顶板岩性，提出了采空区孔隙率沿走向方向为负指 数变化的概念;Karl-HeinzWolf基于现场观测和数值模拟结果，建立了采空区不连续的孔隙率和渗透率分布模型。这些研究对采空区孔隙率进行了定性定量分析，但是没有考虑工作面上覆岩层的实际冒落情况，定量分析采空区三维孔隙率分布特征。本文在矿压相关理论的基础上，利用FLAC3D模拟了深部开采过程中覆岩结构移动变形破坏情况，定量分析研究了覆岩的应力、位移分布规律，计算采空区孔隙率的三维分布模型，并通过FLUENT模拟验证孔隙率函数模型的适用性。
1物理力学模型的建立及参数选取
1.1物理力学模型的建立
本数值模拟以某深部综放工作面为研究对象，该工作面井下标高为-790~-850m，在深部开采条件下覆岩的应力场具有一定的复杂性和特殊性。本次模拟对邻近的岩层中岩性较接近的进行合并处理，岩石破坏遵循摩尔-库伦准则，并依次对每一层岩层进行赋值。模型倾向长度340m，走向长度600m，工作面宽度200m，沿走向方向每次推进50m，累计推进长度400m。
煤层平均厚度6m，进回风巷道为50m×8m。对模型边界条件进行以下设置：①模型左右约束为固定边界，下边界固定，上边界自由。②模型上边界施加由自重所形成的均布载荷(18MPa)。③左右边界根据竖直应力和水平应力之比各施加一个侧向应力。④岩层容重设置重力梯度，初始速度、位移均为0。
采空区覆岩随着工作面不断推进，受自身重力和上覆岩层的作用不断变形破坏，上覆岩层塑性破坏区主要呈“马鞍”状。采空区顶板岩层受拉应力发生拉伸破坏，不断发生断裂、冒落。煤壁两侧以及覆岩整体主要受剪应力作用发生剪切破坏，从而裂隙不断向上发育。由图可知，当工作面推进过程中，顶板的破坏深度依次扩大。当工作面推进距离为400m后，冒落高度逐渐趋于稳定，煤层上方模型网络划分。
1.2模拟参数的选取
模型推进距离分别取100、200、300、400m，探究采空区覆岩在采动过程的破坏变形规律。
2采空区上覆岩层移动变形及孔隙率分布规律
在走向方向上，随着工作面的推进，覆岩上方应力不断传递至煤壁，因此在采空区前后的支撑压力峰值不断增大，工作面前面10~50m处受采动影响应力迅速增加，该区域为超前支承压力区。当工作面推进过程中，最大垂直应力由35MPa在开采完毕时增大到50MPa。采空区上方为应力降低区，应力逐渐减小至0，这是由于直接顶冒落应力在开采过程中得到释放。在距离工作面前方应力不断减小并逐渐趋于原岩应力水平。
垂直方向上，开挖400m时，最大支承压力峰值随着距离煤层越高，其峰值不断降低至39MPa。在倾向方向上，工作面开采完后采空区垂直应力分布呈中间低、两边高的对称分布。越远离工作面两侧的支承压力峰值越大，采空区中部垂直应力一直保持在较低水平。
不同开挖深度时覆岩下沉量沿走向方向的变化趋势，随着工作面的推进，覆岩下沉量不断变大，当开挖深度为400m时，下沉量达到最大值2m，且倾向和走向断面的岩层的最大下沉量基本一致，下沉量呈中间大，两边小的规律，这是由于随着工作面的推进，直接顶的拉应力不断增加，当超过其抗拉强度时开始垮落，中部岩层在冒落过程中逐渐被压实，下沉量较大，而两帮岩层受到煤壁支撑未完全压实，下沉量较小。
3采空区孔隙率分布验证
利用FLUENT对采空区流场进行数值模拟，验证孔隙率适用性。工作面通风向采空区漏风形成的流场，采空区的冒落带和裂隙带认为是采空区漏风的主要区域，设置为多孔介质区域。将弯曲下沉带中视为漏风微小区域，不予考虑。进风端进风口为速度入口，混合气体组分中入口处氧气浓度为23%，瓦斯浓度为0，速度根据通风量设为2.1m/s，回风端出风口为自由出口。利用2.3中得出的孔隙率分布，编写UDF函数并导入FLUENT求解器。利用孔隙率三维分布函数模型模拟采空区氧气浓度场和瓦斯运移情况。
4结语
(1)运用FLAC3D数值模拟研究了某深部综采面在开采过程中的覆岩变形冒落规律，在采空区上方主要为拉伸破坏，煤壁两侧以及整体以剪切破坏为主。从而确定了裂隙带高度为47m左右，冒落带高度为17m左右，并通过最大高度经验公式验证其准确性。
(2)分析了该深部综采面在开采过程中的覆岩垂直应力的动态变化情况和下沉量分布特征。在走向上，工作面前后煤壁处的支承压力峰值随着工作面的推进不断增大，采空区上方应力则一直保持较低水平。覆岩的下沉量由工作面向采空区深处逐渐变大，在工作面后方80m处趋于稳定;在倾向上，垂直应力曲线以采空区中心为原点呈对称分布。竖直方向上，距离煤层越高最大支承压力峰值越小。
(3)对该深部综采面采空区三维孔隙率进行了定量计算，研究了冒落带和裂隙带的孔隙率分布特征，工作面附近及两侧煤壁处孔隙率较大，上、下隅角处的孔隙率达到最大值0.3，采空区深部孔隙率较小并趋近于稳定;冒落带范围内整体孔隙率较裂隙带更大。
(4)通过模拟采空区渗流场验证孔隙率模型的适用性，氧气浓度沿走向不断向采空区深部减小，冒落带氧气浓度高于裂隙带;倾向方向上，进风侧氧气浓度高于回风侧，瓦斯运移情况刚好相反，但由于瓦斯密度轻，于采空区顶板聚集，浓度高于冒落带。
参考文献：
[1]张建国.平顶山东部矿区深井动力灾害多因素耦合统一灾变机理[J].矿业安全与环保,2012,39(5):11-14,+18,99.
[2]钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996,21(3):225-230.
[3]钱鸣高，缪协兴，何富连.采场“砌体梁”结构的关键块分析[J].煤炭学报,1994,19(6):557-563.
[4]许家林,钱鸣高.关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究[J].煤炭学报,2000(2):122-126.
作者：聂琦苗1,2，牛会永1,2，刘轶康1,2，鲁义1,2，李石林1,2
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《深井覆岩采动冒落及孔隙率分布特征研究》