双系煤层采动导水裂隙演化规律的FDEM耦合模拟研究

• Published in: 煤炭学报 Vol. 47; no. 12; pp. 4443 - 4454
• Main Authors: 李浩, 白海波, 马立强, 康志勤, 李志永, 缪小成, 武鹏飞, 韦婕
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西太原 030024%中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州211116%中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 211116%徐州中矿岩土科技股份有限公司,江苏徐州 211116%晋能控股煤业集团,山西大同 037003 2022
• Subjects: 连续-离散介质; 双系煤层; 韧性断裂; 压剪摩擦; 导水裂隙带
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.1706

TD745; 采动覆岩裂隙分布演化是防治顶板水害、实现煤矿地下水资源保护的基础,其数值结果准确性的关键在于采动覆岩连续-离散转化及其耦合力学响应特征.在纯拉、纯剪断裂模式下引入弹塑性损伤力学,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到准脆性岩石在拉、剪复杂应力下的混合型韧性断裂(MD)本构方程;构建离散块体接触状态判据,结合直剪实验数据与Sargin剪切摩擦关系,导出适用于多种法向应力下的粗糙结构面压缩-剪切摩擦(SF)本构方程.在此基础上,编制有限元V离散元(FDEM)数值计算程序,实现采动覆岩"连续"-"离散"介质转化过程.在数值计算中,分别将摩擦和断裂属性赋予结构面(接触对)、零厚度黏聚力单元,通过共享节点力的方式实现岩石断裂-摩擦耦合.采用断裂力学实验和直剪试验识别材料参数并验证MD-SF本构方程的合理性.在此基础上,模拟研究双系煤层采动导水裂隙随工作面推进的演化规律.结果表明:①MD-SF本构方程组及相应的FDEM数值计算方法,可实现岩体从连续介质到离散介质的转化过程,较好反映准脆性岩石混合型韧性断裂及粗糙结构面的剪切摩擦响应;②模拟条件下,岩层与煤层间距越小,导水裂隙总宽度随大,且开采过程中裂隙总宽度是覆岩运动稳定后的2.26～7.11倍,表明采动过程中更容易出现水害;③高岭土砂岩显著的韧性破坏特征能有效控制其内导水裂隙高度,但在双系煤层重复开采扰动下,覆岩裂高比为20.8,远超经验公式所得结果.采动覆岩导水裂隙高度成果在大同矿区得到应用和检验,为进一步开展采动覆岩运动、水体下安全采煤、保水采煤设计等提供理论支撑.