矿井地下水库坝体衔接处稳定性研究_王文才.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 煤矿地下水库是近些年国家提出绿色矿山后， 矿山企业提出的新型地下水利系统，修建采空区水 库保障了井下安全生产，减少矿井水排至地表而造 成的土地环境盐碱化污染，间接保护了矿区的生 态[1-4]。坝体是由安全煤柱和人工构筑坝体经过帷幕 灌浆等浇筑工艺连接起来的，坝体安全稳定是煤矿 地下水库安全的关键，一方面保证坝体的力学性 能，保障采空区水库的稳定；另一方面防止水库水 的渗流与泄露， 防止突水危害井下安全[5-7]。相关专 家对安全煤柱以及人工构筑坝体的力学性能、安全 稳定性等开展了大量的实验模拟、数值模拟和现场 勘查的试验研究，然而 2 部分坝体之间的衔接处的 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51764044， 51364028） ； 内 蒙古自治区科学技术厅资助项目 （20180823） 矿井地下水库坝体衔接处稳定性研究 王文才， 李雨萌 （内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头 ０１４０１０） 摘要矿井采空区地下水库坝体之间衔接处的稳定是整个地下水库的安全稳定的关键因素之 一。为探究衔接处在作业条件下的变形破坏规律， 采用实验室模拟以及 ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟技术， 分析并监测作业条件下衔接处受力以及变形情况。实验及模拟结果表明 坝体与衔接部分的结 界处内部是受孔隙水压力最严重的部分； 水的软化作用降低了接触面的力学性能， 而浸入到孔 隙裂缝中的水分， 使得试件更加充实饱满， 间接增强坝体抵御外界压力的能力， 增强约 ２３％的力 学强度； 衔接处最终发生失稳破坏是结界处内部微小破坏逐渐扩展延伸的后果， 因此择优选择 衔接材料， 注意衔接工艺的作业过程， 减少衔接处内部的孔隙裂缝， 是保证坝体安全稳定至关重 要的步骤。 关键词采空区； 地下水库； 衔接处； ＦＬＡＣ３Ｄ； 数值模拟； 相似模拟； 抗压强度 中图分类号ＴＤ７４４文献标志码Ａ文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０5-0088-05 Study on Stability of Joints in Mine Groundwater Reservoir Dam WANG Wencai, LI Yumeng （Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China） Abstract The stability of the joint between the groundwater reservoirs in the mined-out area of the mine is one of the key factors for the safety and stability of the entire underground reservoir. To investigate the deation and failure law of the joint under the working conditions, laboratory simulation and FLAC3Dnumerical simulation technology were used to analyze and monitor the force and deation of the joint under the working conditions. The experimental and simulation results show that the inside of the boundary between the dam and the joint is the part with the most severe pore water pressure; the softening effect of water reduces the mechanical properties of the contact surface, and the moisture immersed in the pore crack makes the specimen fuller, which indirectly enhances the ability of the dam to resist external pressure, and enhances the mechanical strength of about 23; the ultimate instability and failure of the joint is the consequence of the gradual expansion and extension of the internal damage at the junction, so we choose the joint material and pay attention to the connection. Reducing the pore cracks inside the joint is a crucial step to ensure the safety and stability of the dam. Key words goaf; groundwater reservoir; joint; FLAC3D; numerical simulation; similar simulation; compressive strength DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.017 王文才， 李雨萌．矿井地下水库坝体衔接处稳定性研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （5） 88- 92， 97. WANG Wencai, LI Yumeng. Study on Stability of Joints in Mine Groundwater Reservoir Dam ［Ｊ］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 88-92, 97.移动扫码阅读 88 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 安全稳定也是不容忽视的重要部分。尽管优质的灌 浆成分使得衔接部分的物理力学性能稳定可靠， 但 是与 2 部分坝体衔接处存在孔隙甚至裂缝威胁坝体 的安全稳定，因此，坝体衔接处的相关研究对地下 水库的正常作业有重要影响[8-11]。 鉴于此，将神华集团李家壕煤矿的采空区地下 水库作为工程研究背景，采用实验室相似模拟实验 的方法对 2 部分坝体之间的衔接处开展稳定性相关 实验。利用数值模拟方法选用摩尔库伦模型对正常 作业环境下的衔接处进行全过程数值仿真模拟， 并 对比实验室相似模拟成果进行研究分析。 1相似模拟实验 1.1实验设计 将取自李家壕煤矿工作面煤岩按照工程岩体 分级标准 的要求[12-14]， 经过切割、 打磨工序制备成 实验室标准试件， 试件尺寸为 50 mm50 mm； 再根 据人工坝体构筑的成分要求，将人工坝体普遍采用 的成分混凝土、泥岩、砂岩按照合理的分配比例制 备人工坝体标准试件，试件尺寸为 50 mm50 mm。 随后，将煤岩试件和人工坝体试件用帷幕灌浆的方 法，使用灌浆水泥将二者紧密黏合在一起。实验试 件如图 1。 由于坝体衔接处在实际作业环境中受力情况复 杂，不仅受到上覆岩层的压力，还会因储水缘故不 可避免的受到单侧水压，此外，长时间浸泡于矿井 水中会受到水的软化甚至腐蚀作用，对本身存在孔 隙和裂缝的坝体或是衔接处是严重的威胁。因此， 为保证实验室相似模拟实验与实际情况的相符， 以 及实验数据的可靠性，将试件制备成以下几个状 态 原始状态、 试件浸水未饱和、 试件浸水饱和、 试 件浸水过饱和。对不同状态下的试件进行单轴抗压 实验， 并对实验过程中得到的破坏载荷、 抗压强度以 及弹性模量等力学参数进行分析，得到试件的临界 力学参数， 进而推广至实际作业环境中， 分析坝体衔 接处的安全稳定性。 1.2实验结果 根据国家水利水电勘测设计研究院实验研究相 关报告内容， 可以对岩体试样受压过程采用如下的 弹性本构方程 σＥε/ 1a1 ε εpk “a2 ε εpk “ 2 a3 ε εpk “ 3 （１） 式中 σ 为弹性本构体所受压力， MPa； E 为弹性 模量， MPa； ε 为应变； εpk为峰值应变； a1、 a2、 a3为常 数项。 将实验全过程中传感器收集到的实验数据进行 分析转化， 得到不同状态试件的破坏载荷、 抗压强度 以及弹性模量等力学参数， 为尽量减小误差， 防止实 验数据出现特殊性，每种状态下的试件制备 5～7 个， 最终选取每种状态下较为平稳的 3 组数据，试件单 抽压缩实验测试结果见表 1，并取其平均值后绘制 三 y 轴折线图进行下一步分析，力学参数变化折线 图如图 2。 根据对岩体试样的单抽压缩试验过程所测得的 参数数据，采用数值分析最小二乘法等分析参数变 化情况，折线图说明上述试验所测得数据与试件状 态为为非线性关系。 １） 未饱和状态实验结果分析。未饱和状态下的 破坏载荷低于原始状态的试件，说明水的软化作用 降低了衔接处的力学强度；饱和状态试件的破坏载 试件状态组别破坏载荷/MPa 抗压强度/MPa 弹性模量/MPa 原始状态 A15.119.890.941 B14.319.270.898 C16.129.760.912 浸水未饱和 A12.649.170.867 B13.028.940.847 C11.939.210.863 浸水饱和 A17.379.520.911 B17.899.490.937 C18.139.640.926 浸水过饱和 A16.768.320.824 B17.218.530.883 C16.488.110.802 图1实验试件图 Fig.1Experimental test piece 表1试件单抽压缩实验测试结果 Table 1Test results of test-piece compression test 89 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 密度 / （g cm-3） 体积模 量/MPa 剪切模 量/MPa 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 内摩擦 角/ （ ） 安全煤柱1 4002.41031.41031.30.525 衔接部分2 900200210--35 人工坝体2 30021034.11020.6-50 表2模型的物理力学参数 Table 2Physical and mechanical parameters of the model 图4三维模型图 Fig.43D model diagram 图2力学参数变化折线图 Fig.2Mechanical parameter change line chart 荷却高于原始状态约 30左右， 这说明完全饱和状 态下的试件在水的长时间浸泡下，表面可能发生软 化，但内部的孔隙裂缝完全被水填充，这使得试件 更饱和，试件在挤压过程中裂隙不但不会扩展， 反 而被水填充的裂隙更具有抵御挤压的能力，故破坏 载荷出现上升的情况。 ２） 过饱和状态实验结果分析。过饱和状态的试 件实验所得破坏载荷较完全饱和状态下的数据又有 所下降，但相对于原始状态破坏载荷高出 13左 右，这说明浸水时间过长会使得试件的表面的软化 作用逐渐蔓延到试件内部，进而降低整体的力学性 能，但是填充到试件孔隙裂缝的水使得试件内部充 实，在试件受到挤压作用时间接起到一定抗压作 用， 但是该状态下的破坏载荷低于饱和状态 10左 右，这说明过饱和状态下，水的软化作用从表面至 试件内部逐渐削弱了试件的力学强度，降低其破坏 载荷。 ３） 实验结论。同理， 抗压强度和弹性模量的变 化趋势与破坏载荷基本相符，这进一步说明水的软 化作用存在 2 方面的作用效果一方面弱化了试件 的性能， 降低力学性能； 另一方面， 填充到试件孔隙 裂缝中， 反而增强其在挤压实验中的抗挤压强度以 及其他力学性能。 2数值模拟 2.1建立模型 根据李家壕煤矿采空区地下水库坝体的实际情 况建立数值模拟模型， 模型分为 3 部分 煤柱坝体、 人工坝体和衔接处，这 ３ 部分的参数物理力学见表 2。模型选用岩土类最通用的摩尔-库伦模型， 其固 定边界条件与应力边界条件如图 3。为使得模拟效 果明显易于分析，将衔接处的设计宽度人为增大， 也就是将实际条件的坝体衔接处放大，这更有助于 凸出衔接处在模拟中的变形。模型共有 3 部分， 模 型划为 40 000 个网格， 模型的尺寸按长宽高100 m10 m40 m 设定，其中 40 m10 m40 m 为坝体 的 2 部分， 20 m10 m40 m 为衔接处部分， 三维基 本模型如图 4。 2.2模拟结果 为探究坝体衔接处在正常作业条件下的变形破 坏情况， 并分析其稳定性， 采用 FLAC3D数值模拟软 件模拟坝体部分的实际受力情况以及实际水压、 孔 隙压力等对坝体衔接处的影响。 为了真实的模拟出与现场实际吻合的结果， 在 模型计算的过程中， 初始化所有应力， 随后， 逐渐的 图3应力边界条件 Fig.3Stress boundary conditions 90 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 对模型施加单向水压力、孔隙压力并固定上覆岩层 自身重力，以此来表示不平衡力压裂产生的水平变 形，当模型再次恢复受力平衡时，记录此时的计算 步数为 8 000 步。 模拟实验过程中， 主要通过监测坝 体衔接部分的塑性区大小、衔接部分水平方向变形 位移、衔接部分水平方向变形速度、孔隙水压力以 及不平衡力等参数的变化情况来评价坝体衔接处的 稳定性。同时，在模拟的全过程中对衔接处内部点 进行随机跟踪标记，并着重记录标记点的水平方向 位移以及整个模拟过程的不平衡力变化情况。 2.2.1水平变形位移分析 数值模拟坝体作业全过程水平方向变形位移云 图如图 5。图 5 表明在煤柱坝体与衔接部分的交界 位置处的水平变形量最明显，说明在单侧水压力存 在的条件下，煤柱坝体与衔接处表面均受到水的软 化作用，从力学角度无论煤柱坝体还是衔接部分的 力学性能减弱， 在上覆岩层自重的挤压下发生变形； 水平方向的变形位移发生在表面和衔接处内部， 表 明煤柱坝体和衔接部分之间存在大量孔隙裂缝， 单 侧水压力将水以孔隙水压的方式从表面挤压进入到 内部的孔隙裂缝中，使得整个衔接处的剖面受到水 的浸湿软化作用， 在上覆岩层自重的情况下， 整个衔 接部分， 无论表面内部均产生水平方向变形位移。 2.2.2孔隙水压力分析 人工坝体与衔接部分的交汇处水平方向变形不 明显，说明衔接部分的浇筑材料与人工坝体材料相 仿， 2 部分衔接处孔隙裂缝较少，契合更为紧密， 强 度更稳定。 模拟条件下孔隙水压力分布如图 6。 结合 孔隙水压力在煤柱坝体与衔接部分交界处剖面的云 图，煤柱坝体和衔接部分的交界处的孔隙水压力明 显较大，受到变形破坏影响也更为严重，坝体的安 全隐患存在于这些容易忽视的衔接处。孔隙水压力 云图表明坝体与衔接部分的结界处内部是受孔隙 水压力最严重的部分， 坝体最终出现失稳破坏， 很可 能是由于结界处内部最先开始发生变形破坏，随着 变形破坏逐渐向表面扩展延伸，最终造成溃坝突水 后果。 2.2.3不平衡力分析 模拟过程中变形速度、总变形位移以及所受不 平衡力的矢量图如图 7。变形速度以及总位移变形 量的矢量方向箭头均由内部向外发散，说明在单侧 水压力和上覆岩层自重力的共同作用下变形向外侧 延伸， 这是由于在浸水条件下， 水的软化作用， 导致 坝体以及衔接部分的力学性能减弱变软，软化作用 使得该部分更容易发生变形，因此在上覆岩层自重 的压力下水平方向会出现外凸起，这表示受到水压 的一侧发生变形。模拟的整个过程就是平衡力逐渐 均布平衡的过程。模拟开始前初始化应力后，模型 处于受力平衡状态，随后施加的单侧水压力改变模 型最初状态，出现应力集中，在不平衡力作用下变 形产生后，整个坝体向平衡方向靠近，最终变形稳 定， 受力平衡。 模拟全过程中随机跟踪标记点处不平衡力变化 情况以及水平变形位移变化情况如图 8、 图 9。由图 8、 图 9 可以看出， 不平衡力随着模拟过程的推进逐 渐趋于稳定，说明模拟过程就是不平衡力逐渐分散 开并趋于平衡的过程，同时除结界处以外的部分在 该种作业环境下， 没有发生明显变形或是破坏， 正常 图5模拟条件下水平方向位移变形 Fig.5Horizontal displacement deation under simulated conditions 图6模拟条件下孔隙水压力分布 Fig.6Pore water pressure distribution under simulated conditions 图7模拟条件下速度、位移、不平衡力矢量图 Fig.7Speed, displacement, and imbalance forces under simulated conditions 91 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 作业条件下不会对整个坝体的稳定性造成威胁， 而 结界处被标记的各点处变形位移均随着模拟进程而 发生变化，且发展变化过程影响着结界处的变形程 度， 跟踪数据表明 变形的最大量为 10 cm， 即由内 部向浸水侧凸出 10 cm。 综上所分析，坝体整体稳定性的保证在于关注 细节部位，尤其是最易被忽略的在衔接部分的内部 位置。在连接煤柱坝体和人工坝体的作业中，应该 择优选择衔接材料，更应注意衔接内部中心部位的 作业过程更应细致，最大可能减少衔接处内部的孔 隙裂缝是保证坝体安全稳定作业至关重要的因素， 也为地下水库坝体优化设计提供重要依据。 3结论 1 ） 实验室相似模拟实验表明 虽然水对坝体存 在不可忽视的软化作用，且表面软化作用的存在弱 化了试件的力学性能， 降低了试件的强度； 但是， 填 充到试件孔隙裂缝中的水分，在一定程度上反而增 强了试件抵御其他外力的能力，间接增强了试件的 力学强度。 2） 坝体与衔接部分的结界处内部是受孔隙水压 力最严重的部分， 坝体最终出现失稳破坏， 是由于结 界处内部最先开始发生变形破坏，随着变形破坏逐 渐向表面扩展延伸， 最终造成溃坝突水的后果。 3） 在连接煤柱坝体和人工坝体的作业中， 一方 面应择优选择衔接材料，另一方面更应注意衔接内 部中心部位的作业过程，应减少衔接处内部的孔隙 裂缝， 防止孔隙水造成大破坏， 这是保证坝体安全稳 定作业至关重要的因素，也为地下水库坝体优化设 计提供重要依据。 参考文献 ［１］ 顾大钊， 张勇， 曹志国．我国煤炭开采水资源保护利用 技术研究进展 ［Ｊ］ ．煤炭科学技术， ２０１６， ４４ （１） １－７． ［２］ 姚强岭， 陈田， 李学华， 等．宁东侏罗系煤层顶板粗粒 含水砂岩特性研究 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１７， ４２ （１） １８３. ［３］ 钱鸣高， 许家林， 缪协兴．煤矿绿色开采技术 ［Ｊ］ ．中国 矿业大学学报， ２００３， ３２ （４） ３４３－３４８． ［４］ 张锐， 迟世春， 林皋， 等．地震加速度动态分布及对高 土石坝坝坡抗震稳定的影响 ［Ｊ］ ．岩土力学， ２００８， ２９ （４） １０７２－１０７６. ［５］ 左宇军， 孙文吉斌， 邬忠虎， 等．渗透压-应力耦合作用 下页岩渗透性试验 ［Ｊ］ ．岩土力学， ２０１８， ３９ （９） ３２５３. ［６］ 赵奎， 金解放， 赵康， 等．用岩石点荷载指标确定其单 轴抗压强度的试验研究 ［Ｊ］ ．矿业研究与开发， ２００５ （６） ３２－３３． ［７］ 王宏亮．坝基高压喷射灌浆与坝体劈裂灌浆泥墙衔接 施工工艺探讨 ［Ｊ］ ．甘肃水利水电技术， ２０１５， ５１ （８） ５１－５３． ［８］ 何怡， 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