岩溶陷落柱力学特征及突水预测.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 岩溶陷落柱力学特征及突水预测 英文题目英文题目 Mechanical characteristics of karst collapse column and prediction of water inrush 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 全日制专业硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 张彬鑫 学号学号 2015022262 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导指导教教师师 刘树新 职称职称 教授 协助指导教师协助指导教师 职称职称 2017 年 6 月 4 日 分类号分类号 密密 级级 U D C 学校代码学校代码 1012710127 TD327公开 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 矿井突水事故是安全生产的一大难题，特别是伴随岩溶陷落柱突水，陷落柱由于 其不易探测出准确的位置和大小尺寸，不但给生产带来很大难题，而且也造成水资源 的极大的浪费，是矿井安全生产科研人员面临的棘手问题。探究其力学特征并对突水 危险性进行安全预测对安全生产具有一定的工程意义。 本文在探究多孔介质弹性力学、岩石力学、渗流力学等理论的基础上，结合东庞 矿 9 号煤层及围岩参数，运用 COMSOL 多物理场仿真软件建立了含水层-陷落柱-巷 道的多物理场耦合模型， 探究了陷落柱内部破碎结构和含水层流体之间的相互作用规 律以及受采动影响作用规律，通过计算对其突水进行了预测并提出合理的方案措施， 保证安全生产。本文得出结论如下 ⑴ 从地质发育运动的角度分析陷落柱的成因，并提出几个主要形成因素可溶 性岩层是岩溶陷落柱发育的先决条件，也是陷落柱发生的始发层位。地下水径流是岩 溶陷落柱发育的水动力条件，岩溶陷落柱均分布于地下水强径流带上。重力作用也是 岩溶陷落柱向上不断发育的主要力学条件并总结出东庞矿的陷落柱特征。 ⑵ 根据陷落柱内部结构特征采用连续介质理论，分析研究流体的侵蚀作用对陷 落柱内部孔隙结构的影响，结合 COMSOL Multiphysic 软件采用流固耦合的方法模拟 观察陷落柱内部结构的孔隙特征、含水层水压变化影响、流体中颗粒体积分数变化规 律、 渗流速度及流量等变化能够更加直观的了解其各个力学特征并为安全生产中针对 陷落柱防治提供一定参考意见。 ⑶ 建立 9 号煤层采动影响的陷落柱突水流固耦合模型，提出三种方案分别是改 变陷落柱内部结构初始孔隙率、 改变底部含水层压力和陷落柱周围围岩内聚力进行对 比，能够清楚看到陷落柱在采动影响下的突水情况。为矿井安全生产提前预测陷落柱 突水提供一定的依据。 ⑷ 对突水危险性进行预测并提出相应的防治措施，在煤矿生产过程中要综合利 用各种方法和对应措施进行陷落柱的探查， 搞清楚其对生产的潜在危害并制定对应的 预防治理措施。 关键词陷落柱突水；流固耦合；数值模拟；COMSOL MULTIPHYSICS 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Water inrush is a big problem in safety production, especially with the karst collapse column water inrush, collapse column because it is not easy to detect the exact location and size, not only to produce a big problem, but also caused great waste of water resources, it is a thorny problem of mine safety and research staff face. It is of certain engineering significance to explore its mechanical characteristics and predict safety of water bursting risk. Based on the research of elastic mechanics in porous medium, rock mechanics, percolation mechanics theory, combined with the dongpangkuang No. 9 coal seam and surrounding rock parameters, established the multi physics field coupling model of aquifer -tunnel collapse column using COMSOL multi physics simulation software, explores the internal structure and the crushing collapse column containing interaction layer the fluid between the role and the influence law of mining, through the calculation of the prediction of the water inrush and put forward reasonable measures to ensure safety in production. This paper draws the following conclusions ⑴ From the point of view of geological development movement, this paper analyzes the causes of the collapse column and puts forward several main ation factors the soluble rock layer is the prerequisite for the development of karst collapse column, and also the starting layer for the collapse column. Groundwater runoff is the hydrodynamic condition of karst collapse column, and karst collapse columns are all distributed on the strong runoff zone of groundwater. Gravity is the main mechanical condition of karst collapse column to continue development and summarizes the characteristics of karst collapse of DongPangkuang. ⑵ According to the characteristics of the internal structure of the collapse column by continuous medium theory, analysis of the impact of erosion of fluid to the collapse column internal pore structure, combined with COMSOL Multiphysic software using the of fluid solid coupling simulation observation collapse pore characteristics, the 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III internal structure of the column containing water pressure change, change regularity and the volume fraction of the particles in fluid flow velocity and flow can be more intuitive understanding of the various mechanical characteristics and for the safe production in the prevention of collapse column to provide reference opinions. ⑶ The establishment of No. 9 coal column process flow solid coupling model of mining subsidence, put forward three kinds of schemes is to change the internal structure of the initial collapse column porosity, change of bottom aquifer pressure and collapse column surrounding rock cohesion contrast, can clearly see the columns in the mining water bursting under the influence of the fall. It provides a basis for predicting the water inrush from subsided column in advance. ⑷ The risk of water inrush forecast and put forward the corresponding prevention measures, in the process of coal mining to the comprehensive use of various s and corresponding measures of collapse column exploration, find out its potential harm to the production and to develop the corresponding prevention and control measures. Key wordsKey words Collapse column water inrush; Fluid solid coupling；Numerical simulation； COMSOL MULTIPHYSICS 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目 录 摘 要 ........................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2 1.2.1 岩体渗流力学发展及现状 .................................................................. 2 1.2.2 岩溶陷落柱研究现状 .......................................................................... 3 1.2.3 目前研究中存在的问题 ...................................................................... 5 1.3 课题研究总体规划 ......................................................................................... 5 1.3.1 课题研究的目的和意义 ...................................................................... 5 1.3.2 陷落柱分布特点及对煤炭生产的威胁 .............................................. 6 1.3.3 课题的提出 .......................................................................................... 6 1.3.4 研究内容及创新点 .............................................................................. 8 1.3.5 研究方法 .............................................................................................. 8 1.3.6 技术路线图 .......................................................................................... 8 2 岩溶陷落柱内部破碎岩体结构与流体耦合原因 ................................................... 9 2.1 岩溶陷落柱内部孔隙结构概述 .................................................................... 9 2.2 岩溶陷落柱柱体内部突水发生过程质量变化特征 .................................... 9 2.3 岩溶陷落柱破碎孔隙结构和承压水耦合模型 .......................................... 11 2.3.1 岩溶陷落柱力学模型假设 ............................................................... 11 2.3.2 陷落柱破碎岩体孔隙结构质量守恒方程分析 ............................... 11 2.3.3 陷落柱破碎岩体孔隙结构动量守恒方程分析 ............................... 14 2.3.4 陷落柱破碎岩体孔隙结构辅助方程分析 ....................................... 16 2.3.5 岩溶陷落柱力方程总结 ................................................................... 19 2.4 岩溶陷落柱突水结构假说及特征概述 ...................................................... 19 2.5 本章小结 ...................................................................................................... 21 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 3 岩溶陷落柱成因和力学特征及流固耦合因素分析 .............................................. 23 3.1 陷落柱形成地质概述 .................................................................................. 23 3.2 矿区探明陷落柱简述 .................................................................................. 23 3.3 陷落柱内部及围岩力学特征 ...................................................................... 25 3.4 陷落柱形成因素概述 .................................................................................. 25 3.4.1 可溶性岩层影响 ............................................................................... 25 3.4.2 地下水径流 ....................................................................................... 25 3.4.3 力学作用影响 ................................................................................... 25 3.5 数值分析方法及软件简介 .................................................................. 26 3.6 陷落柱破碎岩体孔隙结构模拟计算 .......................................................... 28 3.6.1 国内陷落柱突水代表性实例地质条件介绍 ................................... 29 3.6.2 流固耦合模型初探 ........................................................................... 31 3.6.3 建立实例模型进行力学特征分析 ................................................... 33 3.6.4 流固耦合模拟结果 ........................................................................... 34 3.7 本章小结 ...................................................................................................... 40 4 陷落柱突水因素相互作用关系 .............................................................................. 41 4.1 始终刻陷落柱的渗流速度对比 ................................................................... 41 4.2 陷落柱孔隙率分布对比 ............................................................................... 42 4.3 陷落柱剪切速率变化对比 ........................................................................... 43 4.4 始终时刻陷落柱随时间的体积变化对比 ................................................... 43 4.5 本章小结 ...................................................................................................... 44 5 陷落柱破碎岩体孔隙结构随采动影响模拟分析 ................................................. 46 5.1 工程地质概况与受采动变化模型模拟 ...................................................... 46 5.2 含水层中的承压水对破碎岩体结构的影响 .............................................. 48 5.3 围岩应力强度对孔隙率的影响 .................................................................. 51 5.4 破碎岩体内部孔隙结构对突水危险性的影响 .......................................... 54 6 突水预测 ................................................................................................................. 58 6.1 预测指标 ...................................................................................................... 58 6.2 突水预测方案 .............................................................................................. 58 6.2.1 计算临界水压法 ............................................................................... 58 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 6.2.2 突水系数法预测 ............................................................................... 59 6.3 突水防治技术研究 ...................................................................................... 60 6.3.1 探查方案 ........................................................................................... 60 6.3.2 注浆方法 ........................................................................................... 61 6.4 本章小结 ...................................................................................................... 61 结 论 ..................................................................................................................... 63 参考文献 ..................................................................................................................... 65 在学研究成果 ............................................................................................................. 70 致 谢 ..................................................................................................................... 71 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 研究研究背景及意义背景及意义 我国煤矿生产过程中的五大灾害中瓦斯、顶板和水灾占比特别大，虽然水灾发生 并不如其他的多但是它造成的危害却是相当严重的 [1]。不仅给国家带来严重的经济损 失，而且还破坏了地质地貌生态平衡。我国一直是一个缺水的国家，水资源的分布不 均加上人们的节水意识淡薄，我国的生产和生活用水特别紧张。陷落柱破碎岩体内部 与流体耦合是个复杂的物理化学反应，它涉及各种力学理论和其他学科的专业。因为 发生机理复杂加上探测技术的不够完善，长期是生产和研究人员的难题。因此，从煤 矿安全生产和节约水资源这两个方面有必要对陷落柱突水进行系统的研讨。 表表 1.1 陷落柱突水事故实例表陷落柱突水事故实例表 序号 分布地区 突水日期 涌水量 （m 3/min） 结果 1 开滦范各庄矿 1984.6.2 2053 淹井 2 肥城郭家庄矿 1993.1.5 549 淹井 3 皖北矿区任楼矿 1996.3.4 576 淹井 4 徐州矿区张集矿 1997.2.18 402 淹井 5 辉县市吴庄矿 1999.11.25 40 淹采区 6 邢台矿区东庞矿 2003.4.12 1167 淹井 7 神华集团骆驼山矿 2010.3.1 1200 淹井 我国陷落柱的分布比较广泛，根据已有的资料证实 [2～3]晋、冀、鲁、豫、陕、 苏、皖等地区的煤田中发现确定存在的有 3000 多个尤其在晋、冀两个地区存在比较 多。陷落柱是地层中的岩体在地下流体的侵蚀作用下形成，对地下矿井的掘采工作造 成极大的干扰并且容易连通地下含水层造成突水事故为煤矿安全生产带来严重损失。 在范各庄矿的一次世界上最大的突水事故就是由于煤层底板陷落柱导水连通地下水 损失惨重。不仅如此，陷落柱的突水和防治过程对水的利用率很低 [4]。我国本是一个 缺水的国家，全国一半以上城市处于缺水状态，甚至有的地区严重缺水，人们的生活 用水和国家发展的工业用水非常紧缺加上人们的节水意识不够进一步造成水资源的 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 浪费。我国煤矿企业浪费十分严重，至 2009 年底统计全国矿井年均排水量近万立方 米，其中中性水占到了 2/3，硬度符合饮用水标准占到一半左右，真正的水资源利用 率不到 1/5。这种浪费水一方面是生产过程中的不合理，另一方面是人们的节水意识 淡薄。 陷落柱是地层在长期的运用作用里， 受到底部含水层中的承压水渗流进入结构内 破碎孔隙中，在流体运动过程中产生的侵蚀作用使孔隙逐渐变大，最后上部岩体塌陷 形成的一种特殊结构的形体。陷落柱一般会紧靠地下含水层中的地下水流，由于陷落 柱本身的渗透特性，含水层中的承压水渗透进入陷落柱内部产生侵蚀作用。陷落柱的 突水不是一个单单的力学问题，它结合了流体力学、岩石力学、动力学、系统工程等 理论是一个包含多种力学的复杂问题。 它包含了破碎岩体内部结构与周围围岩间的相 互作用、地下含水层流体与破碎岩体间的相互影响，这些因素都是相互作用和影响。 各个因素之间都不是独立的，不能独立的去研究其中某一个因素，这就是一个系统的 工程问题。到目前为止，各界的研究人员 [5～6]都有一个共识就是陷落柱突水事故大概 符合三个条件，底部含水层的高压承压水、在内部流体跟骨架发生侵蚀作用形成的渗 流通道和周围巷道围岩采掘过程中的应力的影响。在采掘应力影响下，其内部的孔隙 结构发生变化渗透特性改变然后形成渗流通道失稳突破临界平衡造成突水， 这个复杂 的过程需要进行系统的探究。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 岩体渗流力学发展及现状岩体渗流力学发展及现状 在十九世纪五十年代著名的物理学家达西提出了达西定律 [7～10]，从此为连续介质 内部的流体渗流作用提出了一个完备的理论， 开启了破碎岩体和地下流体之间研究的 先河。目前为止，不同的科研工作者提出的破碎岩体和流体相互作用的理论越来越丰 富。从达西之后，在学术界各位学者通过理论探索和实验在达西的基础上充分的研究 了岩体渗流。在二十世纪七十年代前后，Barenblett1960、Streltsora1975 、 Iwai1976 、Snow1965，1984，1985等研究人员在充分运用达西定律的基础上创新 性的提出了将岩石和其中的裂隙作为一个整体当做一种连续介质并通过达西定律的 推广，求出了渗透张量 [11]。在此之后，Wilson 和 Witherspoon1970，Maina1972 在 连续介质深入研究基础上给出了具体的判断是否是连续介质的依据 [11]， 为以后判断连 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 续介质提供了准确的参考依据。 Barenblett1960提出把连续介质看成两种介质的组合， 在发生渗流的过程中破碎岩体内部岩体骨架和骨架内部的流体是两种介质， 分析它们 相互作用的方程再将这两种方程进行耦合 [12]。 Warren 和 Root1963认为， 破碎岩体内 部的孔隙结构分布是属于正交分布的，他们在三维空间中假设出一个坐标轴，采用微 元思想在相同方位的的孔隙分布都是跟这个坐标轴平行的 [13]。 Wittke1986 提出忽略 破碎岩体中岩块的渗流，归纳总结了实际岩体中孔隙裂隙的分布规律，用线单元方法 建立出破碎孔隙结构中孔隙中的流体模型[6]。Wei1999 等把化学特性应用在岩体力 学中建立了新的破碎岩体孔隙结构耦合模型 [13]。 我国从二十世纪 80 年代才对破碎岩体孔隙结构和地下流体间的作用进行比较深 的研究。田开铭1986在实验室通过不同裂隙尺寸的岩体试样进行实验，发现这种无 规则的不同尺寸裂隙存在偏流效应 [14～15]。陈钟祥1980在前人的基础上利用特殊的函 数解出了双重介质的准确解 [16]。朱学愚，谢春红1990通过研究建立了一种新的渗流 模型并利用有限元方法把各向异性的导水系数从局部推广到适应整个模型从而使计 算更加简捷和准确 [17]。张有天1997对破碎岩体中孔隙中流体运动的规律提出不同的 看法 [16]。王泳嘉1991，1999首次利用离散元方法进行破碎岩体内部结构和地下流体 间作用研究。周志芳等1993，1997采用混合网络法研究内部破碎孔隙结构中水流对 其的影响作用 [18]。万力等1993采用多边形几何模型对破碎岩体内部结构进行分析建 立了独立模型。莫海鸿1997建立网络水流模型。王洪涛等1997，1998借用计算机 提出破碎岩体内部孔隙结构和地下水间的模型 [19]。肖裕行等1997，1999研究了破碎 岩体内部中渗流过程中的各种参数的影响。周创兵等1997从岩体内部节理特征角度 研究了节理的发育规律、破碎岩体内部孔隙结构和其中流体相互作用的关系 [20]。郑少 河，赵阳升1999对破碎岩体内部结构的渗流作用的流固耦合改为气体和固体耦合进 行模拟分析 [21]。李定方1999区分破碎岩体内部结构的孔隙的特征，分别模拟了不同 孔隙特征下的流体对内部结构影响 [16]。杜广林2000建立破碎岩体结构中孔隙系统和 流体的模型 [22]。王媛，速宝玉2002研究了破碎岩体内部的独立孔隙系统受流体影响 和等效水力宽度 [21]。 还有很多各个领域的学者采用不同的方法和理论对破碎岩体内部 孔隙结构进行了大量的研讨 [23～25]。 1.2.2 岩溶陷落柱研究现状岩溶陷落柱研究现状 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 二十世纪 90 年代至今我国煤炭行业蓬勃发展，但是在生产中遇到的一些问题还 是不容易解决，陷落柱的突水问题就是其中之一。陷落柱本身就对地下矿井的掘采工 作带来很大难题再加上陷落柱可能连通地下水造成突水事故。 由于陷落柱特殊的地质 特点，一直以来人们对其的研究没有停止过，但是想要准确探查出陷落柱的位置和尺 寸大小就比较困难。陷落柱渗透特点和导水特征严重的威胁煤矿安全，必须进行深入 研究提出解决治理方案。但是这些年对陷落柱的探索还不是特别充分，只有对陷落柱 如何探查位置大小和发生事故灾害后的措施有所研究， 真正的探究其发生事故的根本 原因却不多。 根据查明的文献资料 [26～30]， 对陷落柱的研究也一直在进行从以前的常规方法物理 探测技术发展到现如今的借用计算机发展的各种检测探查技术。 虽然物理探测技术是 人们最常用的方法，但是它也有一定的局限性。比如，常规钻探、无线电波透视技术 等在一些几何体积比较大的陷落柱就相对局限了， 这些技术只能探查到其中的一部分， 并不能准确的描绘出其具体的位置和尺寸大小及分布情况， 不能概况出所有陷落柱的 内部结构和周围围岩及水流的影响，比较片面。但是一些研究人员提出的其他的方法 对研究陷落柱做出了推动作用。比如，用地震波来探测、借助计算机模拟软件、绕射 波等都对探测陷落柱做出有益的贡献， 但是由于陷落柱本身和突水过程的复杂性这些 理论都不能够从根本上诠释陷落柱突水的原因。 二十世纪九十年代开始，人们抓住陷落柱的内部特征、渗透导水特性及其周围围 岩影响等方面进行研究取得了飞跃性的成果。项远法1993分