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摘 要：为分析承压水上采煤底板变形破坏规律，建立了承压水上采煤流固耦合数学模型,采用FLAC3D模拟软件分析之。运用正交试验的方式对底板变形破坏影响较大、易量化的4个因素进行分析；在此分析基础上得出单一因素对底板破坏的影响关系。分析结果表明：影响底板破坏深度大小的因素依次是工作面宽度、隔水层厚度、承压水压力和煤层埋深；随着隔水层厚度的增加，底板的破裂深度及范围有减小的趋势，同时在隔水层底部的原位张裂范围也在减小，甚至消失；在流固耦合模式下随着水压力的增加，岩体的破坏程度远远大于非耦合的情况。
关键词：流固耦合；正交试验；底板破坏
中图分类号：TD163文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2010)04-0005-06
Coupling Analysis of Damage Regularity of
Coal Seam Floor During Mining above Confined Aquifer
YAO Duo-xi1，LU Hai-feng2
（1.School of Earth Science and Environmental Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China；2. School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098，China)
Abstract: In order to analyze deformation and damage characteristics of coal seam floor during mining above confined aquifer, fluid-solid coupling mathematic algorithm of mining above confined aquifer was established and mining seepage mechanism of coal seam floor was simulated by FLAC3D. Orthogonal tests were done with 4 major factors which have big influence on floor damage and are easy to be quantified. On the basis influence of single factor on floor damage was obtained. The results showed that according to effecting degree on floor damage depth the factors in turn are working face width, thickness of impermeable layer, confined water pressure, and depth of coal seam occurrence. With the increase of impermeable layer thickness, floor damage depth and scope tend to decrease, while the range of destruction in situ tension crack under the impermeable layer also reduces or even disappears. In fluid-solid coupling mode, with the increase of water pressure, rock mass damage is far greater than non-coupled situation.
Key words: fluid-solid coupling; orthogonal test; floor damage
矿井水害一直是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一，据统计，60%矿井事故与地下水作用有关［1］。尤其近年来随着开采深度的不断增加，来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重。准确掌握煤层底板在采动影响下的破坏情况，对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。然而过去在底板变形破坏特征研究上，常常忽视地下水对底板隔水层的破坏作用，通常只是将水压也作为一种均布荷载，以定值来对待，而不是水压跟随岩体变形而变化,即不是以流固耦合的方式,因而不符合客观实际［2-6］。由于流固耦合问题数学模型较复杂，即使在一维情况下，也难以获得解析解答。依据以上思路, 本文以淮北矿区10煤底板为研究对象，根据煤层底板以及水压力的不同情况, 从固流耦合的角度出发，建立了针对承压水上采煤的裂隙岩体水力学模型，采用FLAC3D数值模拟软件，进行数值计算分析, 详细探讨隔水底板和水压力对底板变形破坏特征的影响关系。
1 流固耦合数学模型
FLAC3D模拟岩体的固液耦合机理时，将岩体视作多孔介质，流体在孔隙介质中的流动符合Darcy定律，同时满足Biot流固耦合方程，其方程为*
G2uj-(λ+G)εv[]xj-p[]xj+fxj=0
K2p=1[]S[SX)]p[]t-εv[]t(1)
式中：λ，G为Lame常数；p为孔隙压力；εv为体应变，有εv=-［（ux /x）+（uy /y）+uz /z)］；xj，uj，fxj分别为j向的坐标、位移及体积力；K为渗透系数；
为拉普拉斯算子；S为弹性释水系数。
式(1)是基于Biot经典渗流理论的表达式。其中p/xj反映了渗流场对固体骨架的影响，其本质是流体流动时产生的孔隙压力影响了固体骨架的有效应力，进而影响固体骨架的变形；εv /t项反映了固体骨架的体积变形对渗流场的影响。可以看出经典的Biot方程能很好地反映介质孔隙压力消散与介质骨架变形之间的相互作用。
由式(1)根据一定的边界条件及初始条件，即可求解。FLAC3D中的边界条件有4种类型: ①给定孔隙水压力; ②给定边界外法线方向流量分量; ③不透水边界; ④透水边界。
2 数值模型的建立
计算模型走向长(x)600 m,倾向宽(y)600 m, 高(z)250 m,10煤厚3 m。模型包括10煤层上方97 m厚岩层,模型下方包括150 m厚底板岩层。根据研究的需要，底板隔水层厚度在40~60 m。
2.1 边界条件处理
(1) 力学边界条件
模型前后左右边界条件采用x，y方向固定，底部为全约束边界。模型上边界作用上覆松散层的自重应力。
(2) 渗流边界条件 隔水层底部采用定水压边界，根据研究的需要水压3.5~5.5 MPa，前后边界和左右边界采用隔水边界。整个底板长期在灰岩水的补给作用下，岩土体孔隙中充满水处于饱和状态，工作面开采后采空区为排水边界，不考虑采空区有水，因此采空区边界取固定水压为零。
2.2 计算参数及判别准则
根据淮北煤田10煤顶底板实际， 将覆岩体按工程地质性状的相似性分成7组模型材料， 最上部为砂岩、 往下依次为泥岩、 煤、 泥岩、 砂岩、 泥岩、 灰岩。 各类岩体的力学参数是结合我国淮北矿区不同类型底板岩石样进行测试后所得的综合值(见表1)。
本文模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的塑性变形破坏与否。
2.3 计算方案的确定
本次研究考虑不同开采阶段、工作面宽度、底板承压水压力、底板隔水层厚度、10煤埋深等对底板岩层应力分布和破坏状态的影响。① 工作面宽度：80 m、160 m、240 m；② 承压水压力：3.5 MPa、4.5 MPa、5.5 MPa； ③ 隔水层厚度：40 m、 50 m、 60 m； ④ 10煤埋深：500 m、600 m、700 m。
采用正交试验的方法来确定需要数值模拟的试验方案数, 不考虑因素之间的相互作用， 选用L9(34 )正交表安排试验(见表2)。
模拟采用20 m步距进行分布开挖，直到工作面推进至200 m，计算过程结束。模拟试验方案分为两部分:①模拟计算出每种正交试验方案下的底板破坏深度，确定影响底板变形破坏规律的主导因素；②分析单因素对底板变形破坏的影响。
3 数值模拟结果分析
3.1 正交试验方案的计算结果
为确定影响底板变形破坏规律的主导因素，对表2的模拟结果进行极差处理，通过直观分析法确定其影响程度的相对大小,极差处理结果如表3所示。
由正交试验分析结果可以看出，各因素对底板破坏深度的影响程度依次为C>A>B>D，表明工作面宽度对底板破坏深度的影响最为显著，其次是底板隔水层厚度、承压水压力以及10煤层埋深。煤层底板破坏深度最小的组合为C1-A3-B1-D1或C1-A3-B1-D2；煤层底板破坏深度最大的组合为C3-A1-B2-D3。 破坏深度最小的组合与正交方案1比较接近，破坏深度最大的组合与正交方案3比较接近。按此两种组合按照前述建模方法再次建立模型进行数值计算，得到的底板破坏深度分别为12 m和30 m，与按正交试验分析所得到的结果相一致。
注：① Ⅰj-第j列一水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅱj-第j列二水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅲj-第j列三水平所对应的试验指标的数值之和；Kj-第j列同一水平出现的次数。
② j=1,2,3,4
在上述的4个因素中，工作面宽、底板隔水层厚度以及承压水压力是影响煤层底板破坏深度的主要因素。
3.2 工作面宽对底板破坏深度的影响
为研究工作面宽度对底板采动破坏的影响，选取以下计算条件：底板隔水层厚度40 m，工作面推进到200 m，煤层埋深600 m，承压水压力3.5 MPa、4.5 MPa、 5.5 MPa。 在此条件下，当工作面宽分别为80 m、 160 m、 240 m时的底板破坏情况如图1~图2所示。
W/m
1. P=3.5 MPa；2. P=4.5 MPa；3. P=5.5 MPa
图1 工作面宽度、水压与底板破坏关系
H/m
1. P=3.5 MPa；2. P=4.5 MPa；3. P=5.5 MPa
图2 隔水层厚度、水压与底板破坏关系
（1） 由图1可得，底板的破坏深度（D）随着工作面宽度（W）的增大而加大，但当工作面宽度超过一定值时，随工作面宽度的增长底板破坏深度变化不大，只是表现在破裂宽度和程度上。这与文献
［7］的研究结果吻合，即：斜长越大，则底板破坏深度越大，但超过一定范围后，斜长对底板破坏深度的影响较小。 同时， 在工作面宽度加大时， 顶板岩层的破坏对工作面宽度的变化比较敏感， 一般规律是顶板岩层破坏高度和破坏范围随工作面宽度增加而加大。
（2）模拟研究得出，当工作面宽度为80 m，水压由3.5 MPa增加到5.5 MPa时，底板岩层并不出现原位张裂区；当工作面宽大于80 m，底板水压力大于3.5 MPa时，除了直接底板破裂外，在隔水层下部将产生原位张裂，其破裂厚度和宽度视采面宽度和底板水压力决定，从2.5 m增加到5 m(见图3)。
3.3 隔水层厚度对底板破坏的影响
为讨论隔水层厚度对承压水上安全开采的影响， 选取的计算条件是： 底板隔水层厚度分别为40 m、50 m、60 m，工作面宽度为240 m，工作面推进到200 m，煤层埋深为600 m，底板承压水压力分别为3.5 MPa、4 .5 MPa、5.5 MPa。 模拟计算结果如图2和图4所示。
图4 不同隔水层厚和水压围岩塑性区分布
模拟结果表明，煤层底板厚度越大，抵抗水压、矿压的破坏能力越强，对煤矿的安全生产越有利。当底板水压力较低时（3.5 MPa），底板岩层的破裂深度和破裂范围不因隔水层厚度（H）的变化而发生明显的变化；当底板水压力较高时，底板岩层的破裂深度和破坏规模随隔水层厚度变化而发生变化：当隔水层厚度较小且底板水压力较大时，除直接底板产生27.5 m的破裂外，隔水层下部岩层也出现大范围的原位张裂，这必然使得隔水层的隔水性能降低；随着隔水层厚度的增加，直接底板的破裂深度及范围有减小的趋势，同时在隔水层底部的原位张裂的范围也在减小，甚至消失。
3.4 承压水压力对底板破坏的影响
（1） 在正常开采阶段，底板破裂的一般规律是：水压低破裂深度小，水压高则破裂深度大；水压越大，底板岩层的开裂程度也越大。
（2） 当底板水压为3.5 MPa时，只有采空区直接底板岩层产生开裂；而当底板水压大于3.5 MPa时，除在直接底板岩层产生开裂外，还在隔水层底部出现原位张裂，原位张裂的范围和厚度随着底板水压的增大而扩大，其结果必然使得底板水导升高度增加，底板岩层的隔水性能下降。
为进一步反映底板水压力对承压水上安全采煤的影响以及流固耦合效应， 分别采用了水压不耦合及耦合两种计算模式（见图5）。 以正交试验方案3为例分析， 讨论的水压分别为3.5 MPa、4.5MPa、5.5 MPa。
P/MPa
1. 耦合；2. 非耦合
图5 耦合非耦合围岩最大体积应变增量变化图
从图5中可以看出，在采用非耦合计算模式时，岩体的破坏程度及范围虽然随着水压的增大而增大，但是增加的十分微小；采用耦合计算模式下随着水压力的增加，岩体体积应变增量逐渐增大，即岩体的破坏程度及破坏范围都在逐渐加大，这一点在工程中也有较好的验证，在地质条件及开采条件都相同时，含有承压水的采场底板的岩体破坏深度及程度都比没有承压水的采场底板的破坏情况要严重。
4 结论
(1) 底板岩层的破裂深度随工作面的宽度和工作面开采距离加大而增加，但是这种影响存在上限，当开采范围达到上限后，工作面开采参数对底板破裂深度在宏观上的影响作用开始减弱，甚至相互无关。
(2) 当底板水压力较低时（如3.5 MPa时），底板岩层的破裂深度和破裂范围不因隔水层厚度的变化而发生明显的变化；当隔水层厚度较小且底板水压力较大时，除直接底板产生破裂外，隔水层下部岩层也出现大范围的原位张裂，张裂的厚度和范围随着水压力的加大而增加；随着隔水层厚度的增加，直接底板的破裂深度及范围有减小的趋势，同时在隔水层底部的原位张裂的范围也在减小，甚至消失。
(3) 在流固耦合模式下随着水压力的增加，岩体的破坏程度及破坏范围都在逐渐加大，加大的幅度远远大于非耦合的情况。
参考文献：
［1］ 仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论［M］.成都：西南交通大学出版社,1995:5-7.
［2］ 郑少河, 赵阳升, 段康廉. 三维应力作用下天然裂隙渗流规律的实验研究［J］. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(2) : 133-136.
［3］ 杨栋, 赵阳升, 段康廉, 等. 广义双重介质岩体水力学模型及有限元模拟［J］. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2) : 182-185.
［4］ 王媛, 徐志英, 速宝玉. 复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析［J］. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2) : 177-181.
［5］ 彭苏萍，王金安．承压水体上安全采煤［M］．北京:煤炭工业出版，2001：10-12.
［6］ 张培森．采动条件下底板应力场及变形破坏特征的研究［D］．青岛:山东科技大学，2005.
［7］ 李家祥．厚煤层重复开采时底板岩体的破坏深度［J］．煤田地质与勘探，1995(4) :44-49.
(责任编辑：何学华，范 君)
关键词：流固耦合；正交试验；底板破坏
中图分类号：TD163文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2010)04-0005-06
Coupling Analysis of Damage Regularity of
Coal Seam Floor During Mining above Confined Aquifer
YAO Duo-xi1，LU Hai-feng2
（1.School of Earth Science and Environmental Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China；2. School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098，China)
Abstract: In order to analyze deformation and damage characteristics of coal seam floor during mining above confined aquifer, fluid-solid coupling mathematic algorithm of mining above confined aquifer was established and mining seepage mechanism of coal seam floor was simulated by FLAC3D. Orthogonal tests were done with 4 major factors which have big influence on floor damage and are easy to be quantified. On the basis influence of single factor on floor damage was obtained. The results showed that according to effecting degree on floor damage depth the factors in turn are working face width, thickness of impermeable layer, confined water pressure, and depth of coal seam occurrence. With the increase of impermeable layer thickness, floor damage depth and scope tend to decrease, while the range of destruction in situ tension crack under the impermeable layer also reduces or even disappears. In fluid-solid coupling mode, with the increase of water pressure, rock mass damage is far greater than non-coupled situation.
Key words: fluid-solid coupling; orthogonal test; floor damage
矿井水害一直是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一，据统计，60%矿井事故与地下水作用有关［1］。尤其近年来随着开采深度的不断增加，来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重。准确掌握煤层底板在采动影响下的破坏情况，对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。然而过去在底板变形破坏特征研究上，常常忽视地下水对底板隔水层的破坏作用，通常只是将水压也作为一种均布荷载，以定值来对待，而不是水压跟随岩体变形而变化,即不是以流固耦合的方式,因而不符合客观实际［2-6］。由于流固耦合问题数学模型较复杂，即使在一维情况下，也难以获得解析解答。依据以上思路, 本文以淮北矿区10煤底板为研究对象，根据煤层底板以及水压力的不同情况, 从固流耦合的角度出发，建立了针对承压水上采煤的裂隙岩体水力学模型，采用FLAC3D数值模拟软件，进行数值计算分析, 详细探讨隔水底板和水压力对底板变形破坏特征的影响关系。
1 流固耦合数学模型
FLAC3D模拟岩体的固液耦合机理时，将岩体视作多孔介质，流体在孔隙介质中的流动符合Darcy定律，同时满足Biot流固耦合方程，其方程为*
G2uj-(λ+G)εv[]xj-p[]xj+fxj=0
K2p=1[]S[SX)]p[]t-εv[]t(1)
式中：λ，G为Lame常数；p为孔隙压力；εv为体应变，有εv=-［（ux /x）+（uy /y）+uz /z)］；xj，uj，fxj分别为j向的坐标、位移及体积力；K为渗透系数；
为拉普拉斯算子；S为弹性释水系数。
式(1)是基于Biot经典渗流理论的表达式。其中p/xj反映了渗流场对固体骨架的影响，其本质是流体流动时产生的孔隙压力影响了固体骨架的有效应力，进而影响固体骨架的变形；εv /t项反映了固体骨架的体积变形对渗流场的影响。可以看出经典的Biot方程能很好地反映介质孔隙压力消散与介质骨架变形之间的相互作用。
由式(1)根据一定的边界条件及初始条件，即可求解。FLAC3D中的边界条件有4种类型: ①给定孔隙水压力; ②给定边界外法线方向流量分量; ③不透水边界; ④透水边界。
2 数值模型的建立
计算模型走向长(x)600 m,倾向宽(y)600 m, 高(z)250 m,10煤厚3 m。模型包括10煤层上方97 m厚岩层,模型下方包括150 m厚底板岩层。根据研究的需要，底板隔水层厚度在40~60 m。
2.1 边界条件处理
(1) 力学边界条件
模型前后左右边界条件采用x，y方向固定，底部为全约束边界。模型上边界作用上覆松散层的自重应力。
(2) 渗流边界条件 隔水层底部采用定水压边界，根据研究的需要水压3.5~5.5 MPa，前后边界和左右边界采用隔水边界。整个底板长期在灰岩水的补给作用下，岩土体孔隙中充满水处于饱和状态，工作面开采后采空区为排水边界，不考虑采空区有水，因此采空区边界取固定水压为零。
2.2 计算参数及判别准则
根据淮北煤田10煤顶底板实际， 将覆岩体按工程地质性状的相似性分成7组模型材料， 最上部为砂岩、 往下依次为泥岩、 煤、 泥岩、 砂岩、 泥岩、 灰岩。 各类岩体的力学参数是结合我国淮北矿区不同类型底板岩石样进行测试后所得的综合值(见表1)。
本文模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的塑性变形破坏与否。
2.3 计算方案的确定
本次研究考虑不同开采阶段、工作面宽度、底板承压水压力、底板隔水层厚度、10煤埋深等对底板岩层应力分布和破坏状态的影响。① 工作面宽度：80 m、160 m、240 m；② 承压水压力：3.5 MPa、4.5 MPa、5.5 MPa； ③ 隔水层厚度：40 m、 50 m、 60 m； ④ 10煤埋深：500 m、600 m、700 m。
采用正交试验的方法来确定需要数值模拟的试验方案数, 不考虑因素之间的相互作用， 选用L9(34 )正交表安排试验(见表2)。
模拟采用20 m步距进行分布开挖，直到工作面推进至200 m，计算过程结束。模拟试验方案分为两部分:①模拟计算出每种正交试验方案下的底板破坏深度，确定影响底板变形破坏规律的主导因素；②分析单因素对底板变形破坏的影响。
3 数值模拟结果分析
3.1 正交试验方案的计算结果
为确定影响底板变形破坏规律的主导因素，对表2的模拟结果进行极差处理，通过直观分析法确定其影响程度的相对大小,极差处理结果如表3所示。
由正交试验分析结果可以看出，各因素对底板破坏深度的影响程度依次为C>A>B>D，表明工作面宽度对底板破坏深度的影响最为显著，其次是底板隔水层厚度、承压水压力以及10煤层埋深。煤层底板破坏深度最小的组合为C1-A3-B1-D1或C1-A3-B1-D2；煤层底板破坏深度最大的组合为C3-A1-B2-D3。 破坏深度最小的组合与正交方案1比较接近，破坏深度最大的组合与正交方案3比较接近。按此两种组合按照前述建模方法再次建立模型进行数值计算，得到的底板破坏深度分别为12 m和30 m，与按正交试验分析所得到的结果相一致。
注：① Ⅰj-第j列一水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅱj-第j列二水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅲj-第j列三水平所对应的试验指标的数值之和；Kj-第j列同一水平出现的次数。
② j=1,2,3,4
在上述的4个因素中，工作面宽、底板隔水层厚度以及承压水压力是影响煤层底板破坏深度的主要因素。
3.2 工作面宽对底板破坏深度的影响
为研究工作面宽度对底板采动破坏的影响，选取以下计算条件：底板隔水层厚度40 m，工作面推进到200 m，煤层埋深600 m，承压水压力3.5 MPa、4.5 MPa、 5.5 MPa。 在此条件下，当工作面宽分别为80 m、 160 m、 240 m时的底板破坏情况如图1~图2所示。
W/m
1. P=3.5 MPa；2. P=4.5 MPa；3. P=5.5 MPa
图1 工作面宽度、水压与底板破坏关系
H/m
1. P=3.5 MPa；2. P=4.5 MPa；3. P=5.5 MPa
图2 隔水层厚度、水压与底板破坏关系
（1） 由图1可得，底板的破坏深度（D）随着工作面宽度（W）的增大而加大，但当工作面宽度超过一定值时，随工作面宽度的增长底板破坏深度变化不大，只是表现在破裂宽度和程度上。这与文献
［7］的研究结果吻合，即：斜长越大，则底板破坏深度越大，但超过一定范围后，斜长对底板破坏深度的影响较小。 同时， 在工作面宽度加大时， 顶板岩层的破坏对工作面宽度的变化比较敏感， 一般规律是顶板岩层破坏高度和破坏范围随工作面宽度增加而加大。
（2）模拟研究得出，当工作面宽度为80 m，水压由3.5 MPa增加到5.5 MPa时，底板岩层并不出现原位张裂区；当工作面宽大于80 m，底板水压力大于3.5 MPa时，除了直接底板破裂外，在隔水层下部将产生原位张裂，其破裂厚度和宽度视采面宽度和底板水压力决定，从2.5 m增加到5 m(见图3)。
3.3 隔水层厚度对底板破坏的影响
为讨论隔水层厚度对承压水上安全开采的影响， 选取的计算条件是： 底板隔水层厚度分别为40 m、50 m、60 m，工作面宽度为240 m，工作面推进到200 m，煤层埋深为600 m，底板承压水压力分别为3.5 MPa、4 .5 MPa、5.5 MPa。 模拟计算结果如图2和图4所示。
图4 不同隔水层厚和水压围岩塑性区分布
模拟结果表明，煤层底板厚度越大，抵抗水压、矿压的破坏能力越强，对煤矿的安全生产越有利。当底板水压力较低时（3.5 MPa），底板岩层的破裂深度和破裂范围不因隔水层厚度（H）的变化而发生明显的变化；当底板水压力较高时，底板岩层的破裂深度和破坏规模随隔水层厚度变化而发生变化：当隔水层厚度较小且底板水压力较大时，除直接底板产生27.5 m的破裂外，隔水层下部岩层也出现大范围的原位张裂，这必然使得隔水层的隔水性能降低；随着隔水层厚度的增加，直接底板的破裂深度及范围有减小的趋势，同时在隔水层底部的原位张裂的范围也在减小，甚至消失。
3.4 承压水压力对底板破坏的影响
（1） 在正常开采阶段，底板破裂的一般规律是：水压低破裂深度小，水压高则破裂深度大；水压越大，底板岩层的开裂程度也越大。
（2） 当底板水压为3.5 MPa时，只有采空区直接底板岩层产生开裂；而当底板水压大于3.5 MPa时，除在直接底板岩层产生开裂外，还在隔水层底部出现原位张裂，原位张裂的范围和厚度随着底板水压的增大而扩大，其结果必然使得底板水导升高度增加，底板岩层的隔水性能下降。
为进一步反映底板水压力对承压水上安全采煤的影响以及流固耦合效应， 分别采用了水压不耦合及耦合两种计算模式（见图5）。 以正交试验方案3为例分析， 讨论的水压分别为3.5 MPa、4.5MPa、5.5 MPa。
P/MPa
1. 耦合；2. 非耦合
图5 耦合非耦合围岩最大体积应变增量变化图
从图5中可以看出，在采用非耦合计算模式时，岩体的破坏程度及范围虽然随着水压的增大而增大，但是增加的十分微小；采用耦合计算模式下随着水压力的增加，岩体体积应变增量逐渐增大，即岩体的破坏程度及破坏范围都在逐渐加大，这一点在工程中也有较好的验证，在地质条件及开采条件都相同时，含有承压水的采场底板的岩体破坏深度及程度都比没有承压水的采场底板的破坏情况要严重。
4 结论
(1) 底板岩层的破裂深度随工作面的宽度和工作面开采距离加大而增加，但是这种影响存在上限，当开采范围达到上限后，工作面开采参数对底板破裂深度在宏观上的影响作用开始减弱，甚至相互无关。
(2) 当底板水压力较低时（如3.5 MPa时），底板岩层的破裂深度和破裂范围不因隔水层厚度的变化而发生明显的变化；当隔水层厚度较小且底板水压力较大时，除直接底板产生破裂外，隔水层下部岩层也出现大范围的原位张裂，张裂的厚度和范围随着水压力的加大而增加；随着隔水层厚度的增加，直接底板的破裂深度及范围有减小的趋势，同时在隔水层底部的原位张裂的范围也在减小，甚至消失。
(3) 在流固耦合模式下随着水压力的增加，岩体的破坏程度及破坏范围都在逐渐加大，加大的幅度远远大于非耦合的情况。
参考文献：
［1］ 仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论［M］.成都：西南交通大学出版社,1995:5-7.
［2］ 郑少河, 赵阳升, 段康廉. 三维应力作用下天然裂隙渗流规律的实验研究［J］. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(2) : 133-136.
［3］ 杨栋, 赵阳升, 段康廉, 等. 广义双重介质岩体水力学模型及有限元模拟［J］. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2) : 182-185.
［4］ 王媛, 徐志英, 速宝玉. 复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析［J］. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2) : 177-181.
［5］ 彭苏萍，王金安．承压水体上安全采煤［M］．北京:煤炭工业出版，2001：10-12.
［6］ 张培森．采动条件下底板应力场及变形破坏特征的研究［D］．青岛:山东科技大学，2005.
［7］ 李家祥．厚煤层重复开采时底板岩体的破坏深度［J］．煤田地质与勘探，1995(4) :44-49.
(责任编辑：何学华，范 君)