煤层顶底板突水流固耦合数值模拟研究进展

来源：华佗健康网

·162·价值工程ResearchProgressonFluid-SolidCouplingNumericalSimulationofWaterInrushfrom

CoalSeamRoofandFloor

煤层顶底板突水流固耦合数值模拟研究进展

高永真GAOYong-zhen曰李晓泉LIXiao-quan曰郝鹏HAOPeng曰杨磊YANGLei（广西大学资源环境与材料学院，南宁530004）

（SchoolofResources，EnvironmentandMaterials，GuangxiUniversity，Nanning530004，China）

一旦发生突水，会严重威胁人身财产安全。目前对煤矿突水的研摘要院突水作为煤矿常见的主要灾害之一，对矿井的危害极大，

究主要集中在采用FLAC与COMSOLMultiphysics软件对煤层顶底板突水进行数值模拟，其基本原理都是建立流固耦合数学模型。FLAC3D数值模拟软件通常采用充填法、留煤柱法与注浆加固法治理突水；COMSOLMultiphysics数值模拟软件通常采用注浆加固法治

研究采动对隔水层渗流的影响，为有相似情况的煤矿安全理突水。选取合适的软件建立流固耦合数学模型模拟突水事故发生的过程，

生产提供理论依据，对治理有突水隐患煤矿的安全生产有重大的意义。

Abstract:Asoneofthecommonmaindisastersincoalmines,waterinrushisextremelyharmfultothemine.Oncewaterinrushoccurs,itwillseriouslythreatenpersonalandpropertysafety.Atpresent,theresearchonwaterinrushincoalminemainlyfocusesonthenumericalsimulationofwaterinrushfromcoalseamroofandfloorbyusingFLAC3DandCOMSOLMultiphysicssoftware.thebasicprincipleistoestablishamathematicalmodeloffluid-solidcoupling.FLAC3Dnumericalsimulationsoftwareusuallyusesfillingmethod,coalpillarmethodandgroutingreinforcementmethodtocontrolwaterinrush;COMSOLMultiphysicsnumericalsimulationsoftwareusuallyusesgroutingreinforcementmethodtocontrolwaterinrush.Selectappropriatesoftwaretoestablishafluid-solidcouplingmathematicalmodeltosimulatetheprocessofwaterinrushaccidents,studytheimpactofminingontheseepageoftheaquifer,provideatheoreticalbasisforsafeproductionincoalmineswithsimilarconditions,andcontrolthesafetyofcoalmineswithhiddendangersofwaterinrushproductionisofgreatsignificance.

数值模拟；关键词院顶板突水；底板突水；FLAC3D；COMSOLMultiphysics

Keywords:roofwaterinrush；floorwaterinrush；numericalsimulation；FLAC3D；COMSOLMultiphysics

0引言突水事故我国是煤炭生产大国，煤炭资源相对丰富，在软件数值模拟技术被是我国煤炭开采的重要因素。由于煤矿地层广泛应用之前，一般采用物理模拟等方法，随着科技进步，普遍较为复杂，物理模拟的效果并不理想，已经可出现了越来越多的模拟软件并且功能越来越强大，如以解决煤矿突水问题中物理模拟方法无法解决的问题，处理非均质、各向异性介质条件下的复杂边界问题，以及在煤矿突水中的流固耦合问题等[1]。更多学者开始应用现代化模拟软件模拟突水事故发生的过程，对隔水层渗透率选取透水变化进行研究，研究采动对隔水层渗流的影响，临界条件建构数学模型，为有相似情况的煤矿安全生产提对治供理论依据，寻找其中的规律以及与其有关的因素，理有突水隐患煤矿的安全生产有重大的意义。1数值模拟研究进展（CNKI）本文数据主要来源于中国知网，检索条件为煤矿突水+数值模拟，选择近一年的文章保存到中国知网最后共保留87篇文章，的已选文献中，避免了检索条件相似时文章可能重复，又能利用好中国知网分析文献的功来源分布能。经过分析将结果划分为文献资源类型分布、要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要（1997-）硕士研究生，研究方作者简介院高永真，女，山东潍坊人，

向为矿业工程；李晓泉（通讯作者）（1972-），男，黑龙

主要从事煤江七台河人，博士，副教授，硕士生导师，

矿灾害防治、数值模拟等研究。

如图1所示。以及文献机构分布三类，%文章来自期刊，煤矿安全、煤30%来自硕博论文，主要发布在煤炭与化工、矿现代化等期刊上，发表机构主要为西安科技大学、山东科技大学、河南理工大学以及中国矿业大学。对关键词进行预处理，只保留与数值模拟软件相关的设置信息，再利用VOSviewer软件提取文献关键词信息，识别关键词的最低频次设为1，图中球体越大代表该关键如图2所示。相比于词出现频率越高，在模拟突水事故中，其中大部分是在模拟顶板突水，对底板突水的模拟较多，底板奥灰水突水事故，主要原因是在实际煤矿突水事故中发生底板奥灰水突水事故较多。在数值模拟软件方面，FLAC3D数值模拟软件应用的频率最高，其次为COMSOLMultiphysics数值模拟软件，最后是MODFLOW数值模拟软件、UDEC数值模拟软件、RFPA数值模拟软件和3DEC数值模拟软件。在最新的文献中，应用FLAC3D数值模拟软件与COMSOLMultiphysics数值模拟软件的文章都可以解决底板突水、顶板突水、断层突水等问题，FLAC3D数值模拟软件模拟时通常采用充填法、留煤柱法与注浆加固法治理突水，而应用COMSOLMultiphysics数值模拟软件只用到了注浆加固法治理突水（图3）。研究底板突将底板突水与顶板突水的研究对比发现，有三篇文章既研水的文章明显多于研究顶板突水的文章，究底板突水又研究顶板突水[2][3][4]，底板突水与顶板突水的ValueEngineering·163·（a）资源类型分布（b）机构分布（c）来源分布

图1文章来源分析结果

图3FLAC3D与COMSOL对比结果

FLAC是由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件，是连续介质快速拉格朗日差分分析方法（FastLagrangianAnalysisofContinua）的英文缩写。FLAC3D是二维的有限差岩石和其它材料的分程序FLAC2D的拓展，可以模拟土质、三维结构达到屈服极限时发生的塑性崩塌和塑性流动。通可以自行调整三维网格来过多面体单元的形式表示材料，所以求解拟合实际物体的形状，因为没有形成刚度矩阵，大范围的三维问题只需要较小的内存空间。姚荐达运用FLAC3D软件对煤矿开采时煤层底板突水危险性进行预测研究[5]。王大路[6]、黄勇[7]、伍永平[8]、张帅[3]等运用流固耦合方程建立FLAC3D数值模型，确定承压塑性破坏区、位移场、煤层陷落柱突水裂隙的发育过程、渗渗流流场的渗流矢量和水流发展。ZhibinLin等采用应力、分析承压煤层陷落柱突水问和冲击动力学耦合方程建模，题，研究其渗流规律[9]。刘勇胜通过FLAC3D模拟得出结论塑性破坏区、位移场和渗流场随陷落柱周围围岩应力场、着工作面开采高度和含水层水压的增加呈现增大的趋势[10]。ValueEngineering·165·吴建兰[11]、张志巍[12]、王颖[13]、刘亮东[14]建立FLAC3D流固耦合模型，研究顶底板隔水层受采动和水压作用的破坏规律研究，为断层带的煤层开采提供参考。马强[15]、邹光华[16]、史红邈[2]采用FLAC3D建立了贯通型断层流固耦合数值计算模型，分析从断层活化到顶底板突水的过程。的结论[33]。贾飞飞分析了采动对底板岩层承压水压力分布的影响，并据此最终确定了底板巷道的合理位置[34]。史红邈分析了存在陷落柱的情况下底板突水的危险性[35]。刘维福等通过COMSOLMultiphysics数值模拟研究结果表明水裂隙的发育程度对水在煤体中的运动的影响，Hailong模块，模拟顶板冒落引起的动荷载作用下底板断裂的激活Li应用FLAC耦合软件的非线性动态模块和渗流和再发展过程，研究了动、静应力叠加扰动作用下底板裂隙突水的演化规律[17]。张晓峰[18]、史红邈[19]、荀庭龙[20]用注浆加固的方法对顶底板进行改造，利用FLAC3D模拟其结果。陈志兴[21]、马强FLAC[15]、孙洪超[22]、郭祥瑞[23]、袁杰[24]、王琦[25]、杨伟[26]利用3D模拟留煤柱法对顶底板突水的影响。TongZhang等研究了超临界水的时空效应，采用钻孔与工作面观测、现场渗水和实时视频成像相结合的方法，对覆岩运动、水位变化和地下水涌出进行了研究，得出结论降低开采高度，提高推进速度，提高长壁工作面支护阻力可以有效防治突水事故FLAC[27]。3D还可以与其他软件进行结合，李向楠[28]、毛宁[29]、黄振[30]将FLAC3D与ArcGIS结合，利用ArcGIS的数据处理和空间分析功能，可以得出矿区突水模拟全貌。（TongfluentZhang）仿真平台上对等利用开发的非达西模型，在SFSC的演化过程进行可视化分析，FLAC3D-CFD并对SFSC的动态特性进行分析[27]。综上，在运用FLAC3D软件对煤层顶底板突水危险性进行预测研究时，通过流固耦合方程建立数值模型，主要研究陷落柱突水、断层突水，分析煤矿开采时突水裂隙的发育过程、塑性破坏区、位移场、渗流场的渗流矢量和水流发展，常常采用注浆加固和留煤柱法治理，也可以将FLAC3D与ArcGIS、CFD（fluent）仿真平台等结合。2.2多物理场仿真耦合模拟软件，COMSOLCOMSOLMultiphysicsMultiphysic是由瑞典数值模拟软件的研究进展它以有限元法为基础，COMSOL集团开发的通过求解偏微分方程组用数学方法来描述物理数学现像。COMSOL多种物理场，Multiphysics预定义的多物理场应用模式，拥有流体流动、热传导、能够解决许多结构力学等常见的物理问题。用户还可以自主选择需要的物理场并定义他们之间的相互关系，也可以自主定义材料属性以及边界条件等，所以模型非常灵活，用户可以快速的建立模型，是一个用途广泛、灵活、易用的数值模拟软件。多位学者基于渗流-应力耦合理论，建立流固耦合数学Multiphysics模型，通过多物理场全耦合分面推进距离的增加对煤层底板岩层应力峰值、进行了数值模拟，王兄威通过模拟研究工作析软件Comsol塑性破坏深度及孔隙水压力的影响，结果显示他们的关系呈正相关[31]。刘伟韬等研究底板所承受水压力情况，模拟煤层底板所受应力情况从而确定底板突水的危险性[32]。许大洋通过模拟顶板所承受水压及工作面推进长度，得出随着所承受水压的增大和工作面推进长度的增加，顶板岩层的变形程度、应力、塑性区范围及隔水层的渗流速度均不断增大在煤体中流动主要受孔隙结构的影响[36]。黄震等建立了一种岩溶区地下工程裂隙导通突水概念模型，指出裂隙的扩展、导通促使地下水流动和聚集，一旦形成优势突水通道，将形成相对集中的突水点WenbinSun[37]。陈坤福[38]、HaitaoYu[39]、[40]等利用ComsolMultiphysics数值模拟软件，分析了存在断层的情况下，顶底板突水通道的形成与演化规律。强结合COMSOLMultiphysics和PFC~（3D）数值模拟分析软件，将导水裂隙带内破碎岩体渗流阶段划分为渗流初始阶段、渗流快速增大阶段和渗流趋于稳定阶段，指出导水裂隙带内发生突水的前兆是含水层中水速的突然增大[41]。班文韬对多场变化信息的分析发现在富水型断层突水前具有相对明显的前兆特征，在隔水层破断诱发突水前，围岩应力先增长后回跌，围岩位移平缓增长后急剧增大，同时断层破碎带内垂向负位移减小，围岩孔隙水压在接近断层后水压力明显增大，但在濒临突水前出现减小，濒临突水形成突水通道时，渗流方向发生明显改变[42]。颜丙乾用注浆加固的方法对断层破碎带进行改造，分析研究其渗流及应力分布，结果显示注浆加固可以有效加固围岩、阻碍导水通道的形成[43]。魏宏民研究了浆液在静水和动水两种流场中的扩散范围和注浆压力，动水流场中浆液扩散受水速影响[44]。许大洋[33]对比无煤柱不填充、填充法和留煤柱法三种开采方式对煤层顶板岩层的变形程度、应力、塑性区范围及隔水层的渗流速度的影响，填充法和留煤柱法可以有效减小开采造成的覆岩破坏，充填法比留煤柱法效果更好。综上，在运用COMSOLMultiphysics软件对煤层顶底板突水危险性进行预测研究时，基于渗流-应力耦合理论，建立流固耦合数学模型，分析煤矿开采对煤层顶底板岩层的变形程度、应力、塑性区范围及隔水层的渗流速度的影响，以及裂隙发育和突水通道的形成与演化规律，常常采用注浆加固、采空区充填法和留煤柱法治理。3结语目前对承压水上采煤工作面的数值模拟比较多，成果显著，本文主要从数值模拟进展及软件应用进展两个角度分析煤层顶底板突水流固耦合数值模拟的研究现状，经过归纳、总结与分析，得出以下三点结论：校主要为西安科技大学、淤研究煤层顶底板突水流固耦合数值模拟较多的学山东科技大学、河南理工大学以及中国矿业大学，其文章主要发布在煤炭与化工、煤矿安全、煤矿现代化等期刊上。多Multiphysics的于数在对煤层顶底板突水危险性的数值模拟中，值。模FLAC拟软件为FLAC3D，其次为COMSOL应用最3D软件与COMSOLMultiphysics软件都是基于渗流-应力耦合理论，建立流固耦合数学模型。分析煤矿开采对煤层顶底板岩层的变形程度、应力、塑性区范.com.cn. All Rights Reserved.·166·价值工程[21]陈志兴，豆锐锐.断层对煤层顶板突水影响的数值模拟[J].[22]孙洪超.采动断层活化应力演化与煤柱留设研究[D].中国[23]郭祥瑞.邹庄煤矿7401工作面综放开采防水煤柱留设研[24]袁杰.红阳二矿导水断层对保护煤柱留设宽度影响研究[25]王琦.回采工作面导水断层防水保护煤柱合理宽度研究[26]杨伟.承压水上工作面底板破坏深度的数值模拟研究[J].裂隙的发育和突水通道的围及隔水层的渗流速度的影响，形成与演化规律。留盂FLAC3D数值模拟软件模拟时通常采用充填法、煤柱法与注浆加固法治理突水，而应用COMSOLMultiphysics数值模拟软件只用到了注浆加固法治理突水。参考文献院

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