礦井地下水庫壩體銜接處穩(wěn)定性研究

王文才，李雨萌

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

煤礦地下水庫是近些年國家提出綠色礦山后，礦山企業(yè)提出的新型地下水利系統(tǒng)，修建采空區(qū)水庫保障了井下安全生產(chǎn)，減少礦井水排至地表而造成的土地環(huán)境鹽堿化污染，間接保護(hù)了礦區(qū)的生態(tài)[1-4]。壩體是由安全煤柱和人工構(gòu)筑壩體經(jīng)過帷幕灌漿等澆筑工藝連接起來的，壩體安全穩(wěn)定是煤礦地下水庫安全的關(guān)鍵，一方面保證壩體的力學(xué)性能，保障采空區(qū)水庫的穩(wěn)定；另一方面防止水庫水的滲流與泄露，防止突水危害井下安全[5-7]。相關(guān)專家對(duì)安全煤柱以及人工構(gòu)筑壩體的力學(xué)性能、安全穩(wěn)定性等開展了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)勘查的試驗(yàn)研究，然而2 部分壩體之間的銜接處的安全穩(wěn)定也是不容忽視的重要部分。盡管優(yōu)質(zhì)的灌漿成分使得銜接部分的物理力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，但是與2 部分壩體銜接處存在孔隙甚至裂縫威脅壩體的安全穩(wěn)定，因此，壩體銜接處的相關(guān)研究對(duì)地下水庫的正常作業(yè)有重要影響[8-11]。

鑒于此，將神華集團(tuán)李家壕煤礦的采空區(qū)地下水庫作為工程研究背景，采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)2 部分壩體之間的銜接處開展穩(wěn)定性相關(guān)實(shí)驗(yàn)。利用數(shù)值模擬方法選用摩爾庫倫模型對(duì)正常作業(yè)環(huán)境下的銜接處進(jìn)行全過程數(shù)值仿真模擬，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)室相似模擬成果進(jìn)行研究分析。

1 相似模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將取自李家壕煤礦工作面煤巖按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的要求[12-14]，經(jīng)過切割、打磨工序制備成實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸為50 mm×50 mm；再根據(jù)人工壩體構(gòu)筑的成分要求，將人工壩體普遍采用的成分混凝土、泥巖、砂巖按照合理的分配比例制備人工壩體標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸為50 mm×50 mm。隨后，將煤巖試件和人工壩體試件用帷幕灌漿的方法，使用灌漿水泥將二者緊密黏合在一起。實(shí)驗(yàn)試件如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)試件圖Fig.1 Experimental test piece

由于壩體銜接處在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中受力情況復(fù)雜，不僅受到上覆巖層的壓力，還會(huì)因儲(chǔ)水緣故不可避免的受到單側(cè)水壓，此外，長(zhǎng)時(shí)間浸泡于礦井水中會(huì)受到水的軟化甚至腐蝕作用，對(duì)本身存在孔隙和裂縫的壩體或是銜接處是嚴(yán)重的威脅。因此，為保證實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況的相符，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，將試件制備成以下幾個(gè)狀態(tài)：原始狀態(tài)、試件浸水未飽和、試件浸水飽和、試件浸水過飽和。對(duì)不同狀態(tài)下的試件進(jìn)行單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中得到的破壞載荷、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，得到試件的臨界力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而推廣至實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，分析壩體銜接處的安全穩(wěn)定性。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)國家水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)報(bào)告內(nèi)容，可以對(duì)巖體試樣受壓過程采用如下的彈性本構(gòu)方程：

式中：σ 為彈性本構(gòu)體所受壓力，MPa；E 為彈性模量，MPa；ε 為應(yīng)變；εpk為峰值應(yīng)變；a1、a2、a3為常數(shù)項(xiàng)。

將實(shí)驗(yàn)全過程中傳感器收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析轉(zhuǎn)化，得到不同狀態(tài)試件的破壞載荷、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)，為盡量減小誤差，防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)特殊性，每種狀態(tài)下的試件制備5～7 個(gè)，最終選取每種狀態(tài)下較為平穩(wěn)的3 組數(shù)據(jù)，試件單抽壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1，并取其平均值后繪制三y 軸折線圖進(jìn)行下一步分析，力學(xué)參數(shù)變化折線圖如圖2。

表1 試件單抽壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of test-piece compression test

根據(jù)對(duì)巖體試樣的單抽壓縮試驗(yàn)過程所測(cè)得的參數(shù)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值分析最小二乘法等分析參數(shù)變化情況，折線圖說明上述試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)與試件狀態(tài)為為非線性關(guān)系。

圖2 力學(xué)參數(shù)變化折線圖Fig.2 Mechanical parameter change line chart

1）未飽和狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。未飽和狀態(tài)下的破壞載荷低于原始狀態(tài)的試件，說明水的軟化作用降低了銜接處的力學(xué)強(qiáng)度；飽和狀態(tài)試件的破壞載荷卻高于原始狀態(tài)約30%左右，這說明完全飽和狀態(tài)下的試件在水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡下，表面可能發(fā)生軟化，但內(nèi)部的孔隙裂縫完全被水填充，這使得試件更飽和，試件在擠壓過程中裂隙不但不會(huì)擴(kuò)展，反而被水填充的裂隙更具有抵御擠壓的能力，故破壞載荷出現(xiàn)上升的情況。

2）過飽和狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。過飽和狀態(tài)的試件實(shí)驗(yàn)所得破壞載荷較完全飽和狀態(tài)下的數(shù)據(jù)又有所下降，但相對(duì)于原始狀態(tài)破壞載荷高出13%左右，這說明浸水時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使得試件的表面的軟化作用逐漸蔓延到試件內(nèi)部，進(jìn)而降低整體的力學(xué)性能，但是填充到試件孔隙裂縫的水使得試件內(nèi)部充實(shí)，在試件受到擠壓作用時(shí)間接起到一定抗壓作用，但是該狀態(tài)下的破壞載荷低于飽和狀態(tài)10%左右，這說明過飽和狀態(tài)下，水的軟化作用從表面至試件內(nèi)部逐漸削弱了試件的力學(xué)強(qiáng)度，降低其破壞載荷。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論。同理，抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化趨勢(shì)與破壞載荷基本相符，這進(jìn)一步說明水的軟化作用存在2 方面的作用效果：一方面弱化了試件的性能，降低力學(xué)性能；另一方面，填充到試件孔隙裂縫中，反而增強(qiáng)其在擠壓實(shí)驗(yàn)中的抗擠壓強(qiáng)度以及其他力學(xué)性能。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

根據(jù)李家壕煤礦采空區(qū)地下水庫壩體的實(shí)際情況建立數(shù)值模擬模型，模型分為3 部分：煤柱壩體、人工壩體和銜接處，這3 部分的參數(shù)物理力學(xué)見表2。模型選用巖土類最通用的摩爾-庫倫模型，其固定邊界條件與應(yīng)力邊界條件如圖3。為使得模擬效果明顯易于分析，將銜接處的設(shè)計(jì)寬度人為增大，也就是將實(shí)際條件的壩體銜接處放大，這更有助于凸出銜接處在模擬中的變形。模型共有3 部分，模型劃為40 000 個(gè)網(wǎng)格，模型的尺寸按長(zhǎng)×寬×高=100 m×10 m×40 m 設(shè)定，其中40 m×10 m×40 m 為壩體的2 部分，20 m×10 m×40 m 為銜接處部分，三維基本模型如圖4。

表2 模型的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

圖3 應(yīng)力邊界條件Fig.3 Stress boundary conditions

圖4 三維模型圖Fig.4 3D model diagram

2.2 模擬結(jié)果

為探究壩體銜接處在正常作業(yè)條件下的變形破壞情況，并分析其穩(wěn)定性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬壩體部分的實(shí)際受力情況以及實(shí)際水壓、孔隙壓力等對(duì)壩體銜接處的影響。

為了真實(shí)的模擬出與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合的結(jié)果，在模型計(jì)算的過程中，初始化所有應(yīng)力，隨后，逐漸的對(duì)模型施加單向水壓力、孔隙壓力并固定上覆巖層自身重力，以此來表示不平衡力壓裂產(chǎn)生的水平變形，當(dāng)模型再次恢復(fù)受力平衡時(shí)，記錄此時(shí)的計(jì)算步數(shù)為8 000 步。模擬實(shí)驗(yàn)過程中，主要通過監(jiān)測(cè)壩體銜接部分的塑性區(qū)大小、銜接部分水平方向變形位移、銜接部分水平方向變形速度、孔隙水壓力以及不平衡力等參數(shù)的變化情況來評(píng)價(jià)壩體銜接處的穩(wěn)定性。同時(shí)，在模擬的全過程中對(duì)銜接處內(nèi)部點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)跟蹤標(biāo)記，并著重記錄標(biāo)記點(diǎn)的水平方向位移以及整個(gè)模擬過程的不平衡力變化情況。

2.2.1 水平變形位移分析

數(shù)值模擬壩體作業(yè)全過程水平方向變形位移云圖如圖5。圖5 表明在煤柱壩體與銜接部分的交界位置處的水平變形量最明顯，說明在單側(cè)水壓力存在的條件下，煤柱壩體與銜接處表面均受到水的軟化作用，從力學(xué)角度無論煤柱壩體還是銜接部分的力學(xué)性能減弱，在上覆巖層自重的擠壓下發(fā)生變形；水平方向的變形位移發(fā)生在表面和銜接處內(nèi)部，表明煤柱壩體和銜接部分之間存在大量孔隙裂縫，單側(cè)水壓力將水以孔隙水壓的方式從表面擠壓進(jìn)入到內(nèi)部的孔隙裂縫中，使得整個(gè)銜接處的剖面受到水的浸濕軟化作用，在上覆巖層自重的情況下，整個(gè)銜接部分，無論表面內(nèi)部均產(chǎn)生水平方向變形位移。

圖5 模擬條件下水平方向位移變形Fig.5 Horizontal displacement deformation under simulated conditions

2.2.2 孔隙水壓力分析

人工壩體與銜接部分的交匯處水平方向變形不明顯，說明銜接部分的澆筑材料與人工壩體材料相仿，2 部分銜接處孔隙裂縫較少，契合更為緊密，強(qiáng)度更穩(wěn)定。模擬條件下孔隙水壓力分布如圖6。結(jié)合孔隙水壓力在煤柱壩體與銜接部分交界處剖面的云圖，煤柱壩體和銜接部分的交界處的孔隙水壓力明顯較大，受到變形破壞影響也更為嚴(yán)重，壩體的安全隱患存在于這些容易忽視的銜接處。孔隙水壓力云圖表明：壩體與銜接部分的結(jié)界處內(nèi)部是受孔隙水壓力最嚴(yán)重的部分，壩體最終出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，很可能是由于結(jié)界處內(nèi)部最先開始發(fā)生變形破壞，隨著變形破壞逐漸向表面擴(kuò)展延伸，最終造成潰壩突水后果。

圖6 模擬條件下孔隙水壓力分布Fig.6 Pore water pressure distribution under simulated conditions

2.2.3 不平衡力分析

模擬過程中變形速度、總變形位移以及所受不平衡力的矢量圖如圖7。變形速度以及總位移變形量的矢量方向箭頭均由內(nèi)部向外發(fā)散，說明在單側(cè)水壓力和上覆巖層自重力的共同作用下變形向外側(cè)延伸，這是由于在浸水條件下，水的軟化作用，導(dǎo)致壩體以及銜接部分的力學(xué)性能減弱變軟，軟化作用使得該部分更容易發(fā)生變形，因此在上覆巖層自重的壓力下水平方向會(huì)出現(xiàn)外凸起，這表示受到水壓的一側(cè)發(fā)生變形。模擬的整個(gè)過程就是平衡力逐漸均布平衡的過程。模擬開始前初始化應(yīng)力后，模型處于受力平衡狀態(tài)，隨后施加的單側(cè)水壓力改變模型最初狀態(tài)，出現(xiàn)應(yīng)力集中，在不平衡力作用下變形產(chǎn)生后，整個(gè)壩體向平衡方向靠近，最終變形穩(wěn)定，受力平衡。

圖7 模擬條件下速度、位移、不平衡力矢量圖Fig.7 Speed, displacement, and imbalance forces under simulated conditions

模擬全過程中隨機(jī)跟蹤標(biāo)記點(diǎn)處不平衡力變化情況以及水平變形位移變化情況如圖8、圖9。由圖8、圖9 可以看出，不平衡力隨著模擬過程的推進(jìn)逐漸趨于穩(wěn)定，說明模擬過程就是不平衡力逐漸分散開并趨于平衡的過程，同時(shí)除結(jié)界處以外的部分在該種作業(yè)環(huán)境下，沒有發(fā)生明顯變形或是破壞，正常作業(yè)條件下不會(huì)對(duì)整個(gè)壩體的穩(wěn)定性造成威脅，而結(jié)界處被標(biāo)記的各點(diǎn)處變形位移均隨著模擬進(jìn)程而發(fā)生變化，且發(fā)展變化過程影響著結(jié)界處的變形程度，跟蹤數(shù)據(jù)表明：變形的最大量為10 cm，即由內(nèi)部向浸水側(cè)凸出10 cm。

圖8 不平衡力變化曲線Fig.8 Unbalanced force curve

圖9 被標(biāo)記點(diǎn)處水平變形量曲線圖Fig.9 Horizontal deformation curves at the marked point

綜上所分析，壩體整體穩(wěn)定性的保證在于關(guān)注細(xì)節(jié)部位，尤其是最易被忽略的在銜接部分的內(nèi)部位置。在連接煤柱壩體和人工壩體的作業(yè)中，應(yīng)該擇優(yōu)選擇銜接材料，更應(yīng)注意銜接內(nèi)部中心部位的作業(yè)過程更應(yīng)細(xì)致，最大可能減少銜接處內(nèi)部的孔隙裂縫是保證壩體安全穩(wěn)定作業(yè)至關(guān)重要的因素，也為地下水庫壩體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)表明：雖然水對(duì)壩體存在不可忽視的軟化作用，且表面軟化作用的存在弱化了試件的力學(xué)性能，降低了試件的強(qiáng)度；但是，填充到試件孔隙裂縫中的水分，在一定程度上反而增強(qiáng)了試件抵御其他外力的能力，間接增強(qiáng)了試件的力學(xué)強(qiáng)度。

2）壩體與銜接部分的結(jié)界處內(nèi)部是受孔隙水壓力最嚴(yán)重的部分，壩體最終出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，是由于結(jié)界處內(nèi)部最先開始發(fā)生變形破壞，隨著變形破壞逐漸向表面擴(kuò)展延伸，最終造成潰壩突水的后果。

3）在連接煤柱壩體和人工壩體的作業(yè)中，一方面應(yīng)擇優(yōu)選擇銜接材料，另一方面更應(yīng)注意銜接內(nèi)部中心部位的作業(yè)過程，應(yīng)減少銜接處內(nèi)部的孔隙裂縫，防止孔隙水造成大破壞，這是保證壩體安全穩(wěn)定作業(yè)至關(guān)重要的因素，也為地下水庫壩體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。