徐百超

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

随着煤炭资源的持续开采，浅、中部范围的煤炭资源越来越少，煤炭生产不得不逐步往深部转移，伴随而来的是高地应力、高地温、高水压和冲击扰动。深部岩体“高地应力、高承压水压及高地温”在采矿扰动作用下的特殊地质力学环境，是导致深部开采中突水事故出现多发性和突发性的根本原因所在[1]。在thm 耦合方面国内外学者对多场耦合开展了研究。国外学者Tsang C F 在Biot 理论的基础上基于质量守恒、能量守恒、动量守恒提出了不同的thm 耦合模型[2]。盛金昌等基于单相饱和岩体热弹性多孔介质的有效应力原理建立热流固耦合非线性数学模型，并给出了多场耦合方程组[3]。

1 多场耦合作用机理

深部岩体在开采扰动下，岩体应力场的变化引起岩体孔隙率及渗透特性的变化，从而引起渗流场的变化，而液体的渗流作用又会影响应力的分布。随着工作面深度的不断增加，伴随而来的高地温一方面影响应力的分布，以热应力、岩石热膨胀和岩石的力学性质改变等方式呈现，而岩体的变形、固体介质之间的传热又会影响岩体温度；另一方面温度的变化影响孔隙流体的粘滞性从而改变渗流场，渗流场中液体与固体介质进行热交换从而影响温度场。

2 工程背景

以安居煤矿3上煤层为研究背景，3上煤层位于山西组的上部，是该区主采煤层。其工作面标高为-979～ -983 m，煤厚2.10～4.60 m，平均厚度约为3 m，开采系数100%，煤层倾角为2°～8°，平均倾角5°，为近水平煤层。煤层上覆岩层主要由泥岩、砾岩、砂岩组成，为完整岩层；底板由泥岩和粉砂岩组成，属于稳定煤层。

3 模型的建立

运用多物理场耦合数值模拟软件Comsol Multiphysics 建立数值模拟计算模型。

模型的岩石力学参数及厚度见表1。

4 边界条件及计算方案

模型上部边界施加边界载荷代替上部岩体重力，左右两边界为滑动辊支撑，下边界为固定约束。整个模型初始位移为0，并开启模型自重效应。含水灰岩上边界设置初始水压代替含水层压力，模型上边界与左右边界无水压力，四边界设置无流动。根据矿井资料，上边界温度36℃，下边界44℃，数值模拟以参数化扫描的形式进行，每步10 m，开挖9 步，水压增幅为2 MPa。

图1 数值计算模型

表1 岩层厚度及力学参数

5 计算结果及分析

（1）煤层开采过程中应力的分布

图2 不同开挖进尺下的应力分布图

水压为2 MPa，在煤层开挖30 m、50 m、70 m、90 m 时的应力分布图如图2 所示。随着开挖进尺不断增加，采场顶底板应力分布变化较大，其最大应力分别为63.8 MPa、84.8 MPa、104 MPa、122 MPa。在开采扰动的影响下，岩体原有应力平衡被打破，应力重新分布，出现应力集中区和卸荷区。应力集中区出现在工作面两侧与工作面前方的煤岩壁，两者应力集中区域在工作面与巷道的拐角处叠加。当支承压力小于煤壁的极限强度时，支承压力的最大值出现在煤壁处，煤壁处于弹性压缩状态；当支承压力超过煤壁的极限强度时，煤壁被破坏，支承能力降低，煤壁处于塑性压缩状态。卸荷区出现在采场顶板上方岩层与采场底板下方岩层，在上覆岩体的重力作用下，顶板岩层容易出现垮落破坏，开采扰动下底板岩层发生位移、破坏，促进了岩体裂隙的发育和扩展，加快了地下水在岩层中的导升速率，最终可能使得裂隙导通含水层造成底板突水事故。开采扰动后的应力再分布，是诱发地质灾害的重要原因。

（2）煤层开挖过程中水压分布

图3 水压分布等值线图

如图3 所示，开挖进尺分别为30 m、70 m，承压水压力分别为2 MPa、4 MPa 时的等值线分布。承压含水层的理论水压力分布在采场底板下方出现集中分布，越是靠近采空区底板的中部其水压分布越密集，距离含水层越近其理论水压越大。随着含水层水压的增大，工作面底板水压分布变得更加密集，水压数值也随之增大。工作面推进过程，采场底板出现了卸荷区，在矿山压力与承压水水压的共同作用下，底板岩体先压缩后膨胀，导致工作面底板岩层失稳破坏，出现底板岩层采动破坏带，使底板岩体产生更多的裂隙和孔隙，同时承压含水层中的液体对完整岩层的动力冲刷，以及孔隙水的静水压力的作用，进一步促进了裂隙的破坏与导通，使得承压水通过岩体的裂隙向上导升最终有可能导通底板采动破坏带进入采掘工作面引起底板突水。

（3）煤层开挖过程中的温度分布

如图4 所示为不同开挖进尺与水压下的温度分布图。初始开挖时等温线密集地分布在工作面顶底板附近，随着工作面的不断前进，由于热量在空间中的传递，工作面附近温度不断升高，并逐渐在采场底板密集分布。随着工作面的前进，围岩散热同时进行，工作面附近温度逐渐与围岩温度持平，温差减小。底板等温线密集的原因一方面是随着深度的加深，岩体温度会逐渐升高，下部岩体与上部岩体温差较大；一方面是开采扰动导致的底板位移变形破坏，会产生热量，会加快热量的传递。随着水压的升高，整体的温度等值线是逐渐上移的，水压对温度分布的影响在工作面底板尤为明显。水压的增高，促进了流场在整个底板岩体空间内的渗流作用，静水压力升高，促进了底板岩体裂隙的发育和扩展，在裂隙发育扩展的同时岩体的变形会产生一定的热量，流体的压缩也会产生一定的热量，主要是深部高温承压水沿着岩体裂隙向上导升，与固体介质的热量交换导致了等温线的上升。

图4 温度分布等值线图

6 结论

（1）在开采扰动下原有应力平衡被打破，应力重新分布。在煤层开挖过程中，随着工作面的不断推进，应力集中分布在工作面前方煤岩壁与开切眼两侧，采空区顶底板出现卸荷区。

（2）承压水压力集中分布在采场底板，随着工作面的推进，水压分布更密集，底板所受水压也不断增大。开采扰动下的应力场-渗流场耦合作用是导致底板突水事故发生的重要因素。

（3）采深的增加，伴随而来的是岩体温度升高，随着开采工作面的推进，工作面附近温度逐渐升高，并与周围岩体保持一致。含水层水压的的升高会使岩体温度等值分布上移，高水压促进了渗流场-温度场之间的耦合作用，工作面附近温度变化最为明显。