煤矿开采水浸弱化流固耦合模拟方法与工程应用

作     者：张村 黄玄皓 王永乐 师旭涛 王方田 韩鹏华 

作者机构：中国矿业大学(北京)能源与矿业学院 中国矿业大学(北京)厚煤层绿色智能开采教育部工程研究中心 中国矿业大学矿业工程学院 

出 版 物：《煤炭科学技术》 (Coal Science and Technology)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFC3012101) 国家自然科学基金项目(52104155) 中央高校基本科研业务费专项资金资助(2024ZKPYNY01) 

主　　题：煤矿开采 水浸弱化 渗透率更新 流固耦合 数值模拟 

摘      要：煤矿开采造成覆岩含水层涌入开采区域，弱化煤岩体强度进而造成巷道煤柱等失稳。基于此，本文针对煤矿开采水岩作用弱化工程问题，提出了水浸弱化流固耦合模拟方法，可以实现采动水浸过程中煤岩体渗透率和强度的实时更新。以离散元方法为主详细论述了模拟实现的主要流程，并进一步讨论了有限元模拟方法实现的主要特点。离散元模拟方法主要通过应力和裂隙开度更新渗透率，同时提出了考虑裂隙可压缩性变化的变节理刚度模拟方法。在水渗入节理裂隙中，含水率的更新则通过节理开度变化计算。在煤岩体发生屈服前，煤岩体强度弱化可以根据含水率与煤岩体强度的关系进行更新。相比于离散元模拟方法，有限元模拟方法渗透率更新需要考虑各向异性，饱和含水率的更新则根据孔隙率计算。在此基础上，通过模拟充水断裂构造巷道围岩弱化验证了本文模拟方法的可行性，并进一步通过巷道顶板下沉和围岩裂隙发育实测结果验证了模拟结果的可靠性。最后，讨论和展望了本文提出的水浸弱化流固耦合模拟方法，认为掌握煤岩体力学渗流特征的尺度效应以及模拟中实现长期水浸弱化更有助于煤矿水岩作用工程问题分析。