电厂储灰场主要设施开采破坏分析研究

吴 侃,徐亚楠,李 亮

(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221008)

电厂储灰场主要设施开采破坏分析研究

吴 侃,徐亚楠,李 亮

(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221008)

应用有限差分软件 FLAC对含多级粉煤灰子坝的灰坝在开采影响下的破坏规律进行了研究,得到了其所能承受的临界变形值。用有限元程序 ANSYS分析了泄洪管、排灰水管和多级跌水斜槽等水工设施在开采影响下的临界变形条件。并将获得的研究成果与某储灰场主要设施的开采破坏情况进行了比对分析,验证了计算方法的可行性和计算结果的可靠性。研究得到的结论和采用的研究方法为储灰场下煤炭资源的开采及储灰场主要设施的维护治理工作提供了技术依据。

灰坝;水工设施;开采沉陷;数值模拟

电力是国民经济发展的重要能源之一,而火力发电是我国电力资源供应最为主要的途径[1]。出于经济上的考虑,许多火力电厂设置在煤矿周边,其储灰场自然位于各煤矿井田及附近区域。对于这种情况,煤矿开采对储灰场的影响不可避免。开展储灰场主要设施开采破坏分析研究有利于指导灰场下资源的顺利采出和保护灰场设施的正常使用,达到双赢。

1 储灰场主要设施

储灰场主要设施有灰坝、泄洪洞和排灰水管(窗口式竖井,多级跌水斜槽)。灰坝一般包括初期灰坝,二级、三级粉煤灰子坝等。初期灰坝为土石坝,为透水性的。以后逐步加高的二级、三级等子坝为粉煤灰子坝,见图 1。

泄洪洞为钢筋砼管,竖井进水,见图 2、图 3。

排灰水管为钢筋砼管,排水方式有窗口式竖井排 水,或用多级跌水斜槽排水,见图 4～图 6。

图 2 泄洪竖井

图 3 泄洪洞

图 4 排灰水管

图 5 窗口式竖井

图 6 多级跌水斜槽

2 开采对灰坝的破坏分析

2.1 分析方法的确定

FLAC程序主要是用于岩土力学和工程开发的计算软件,与同类软件相比,FLAC具有更为先进的功能:包含了能反映地质材料力学效应的计算功能,主要用于解决岩土工程问题 (边坡稳定性、地下建筑、采矿工程、岩体和土体锚固、重力坝设计、地下水渗流等),可以追踪材料的渐进破坏,能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服时发生的破坏或塑性流动的力学行为[2]。所以,对灰坝受开采影响破坏情况分析采用 FLAC进行模拟。

2.2 计算参数和边界条件的确定

由于大坝的构筑材料无论是土石还是粉煤灰都是弹塑性地质材料[3-4],在材料达到屈服极限后,可产生较大的塑性流动。研究对灰坝采用莫尔 -库仑屈服准则[5-6]。根据现场提供的资料和相关土力学理论,确定出灰坝模型计算所采用的物理力学参数如表 1所示。

为了分析灰坝受开采影响的破坏情况,在给灰坝模型施加位移边界时要充分考虑到位移边界应符合开采沉陷规律,并考虑最不利的情况。在施加边界条件时,以水平变形为基准,通过各种变形之间的相互关系确定出曲率变形和倾斜变形,然后将水平变形转化为不均匀水平移动,将曲率变形和倾斜变形转换为不均匀的下沉,确定出合适的位移边界[7],代入模型中进行计算。坝底附加的下沉曲线和水平移动曲线见图 7,模型的边界条件如图 8所示。

表 1 坝体物理力学参数

2.3 灰坝破坏情况分析

图 7 坝底附加的下沉曲线 (1)和水平移动曲线 (2)

图 8 灰坝附加计算边界条件后的模型

对灰坝开采影响下的受力情况进行数值模拟(假定灰坝的浸润线高度在设计位置内),通过不断改变边界条件来分析不同开采强度情况下灰坝的变形情况。图 9水平变形为 3.5mm/m,曲率变形为 0.15×10-3/m,倾斜变形为 6.9mm/m;图 10水平变形为 8.0mm/m,曲率变形为 0.36×10-3/m,倾斜变形为 15.7mm/m,图 11为更大变形时的模拟计算结果。

图 9 灰坝拉应力分布 (无破坏现象)

图 10 灰坝拉应力分布 (出现临界破坏现象)

图 11 灰坝拉应力分布 (破坏区明显扩大)

图 10中椭圆形区域为发生滑坡失稳区域 (局部破坏),这种情况对应的变形值即为灰坝破坏的临界变形值。随着变形的不断增大,当水平变形大于 8mm/m、曲率变形大于 0.36×10-3/m时,倾斜变形大于 15.7mm/m时,坝体失稳,出现了整体性的破坏,见图 11。

不断改变灰坝的高度,即不断增加子坝 (增加二级、三级子坝),进一步进行模拟计算,计算结果表明,增加灰坝高度后,灰坝破坏的临界变形值没有明显差异,但灰坝一旦超过临界变形值产生破坏,坝高越高,破坏的速度越快,越难控制。

3 开采对水工设施的破坏分析

因各水工设施均为钢筋混凝土结构,属脆性材料,而国际通用有限元模拟软件 ANSYS在模拟钢筋混凝土结构方面有出色表现[8-9],在计算中采用该软件,边界条件同样采用符合开采沉陷规律的水平方向位移和竖直方向位移。结合钢筋混凝土的钢筋配筋率和工程上的经验选取各水工设施破坏标准为[10-12]:最大拉应力超过 1.6MPa或最大拉应变超过 6×10-5。

模拟得到的排灰水管三维应力和最大截面应变分布情况如图 12和图 13。

图 12 排灰水管三维应力分布

图 13 排灰水管最大截面应变分布

泄洪水管和多级跌水斜槽采用相同的情况进行分析。得到:排灰水管所能承受的临界变形值为:水平变形ε=2.0mm/m,倾斜变形 i=3.9mm/m,曲率变形 K=0.09×10-3/m;泄洪水管所能承受的临界变形值为:水平变形ε=1.5mm/m,倾斜变形i=2.6mm/m,曲率变形 K=0.06×10-3/m;多级跌水斜槽所能承受的临界变形值为:水平变形ε=2.5mm/m,倾斜变形 i=4.9mm/m,曲率变形 K=0.11×10-3/m。

4 结论

通过研究、计算和分析,可以获得如下几个基本结论:

(1)储灰场内各种设施的结构本身能承受的开采引起的临界变形值汇总如表 2。

表 2 储灰场主要设施破坏临界变形值

(2)上述获得的成果与某储灰场主要设施的破坏情况进行了比对,基本与实际情况相符,验证了计算结果的可靠性。这一结果为储灰场下采煤及储灰场主要设施的维护治理工作提供了技术依据。

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Analysis on Fa ilure ofMa in Structures in Ash Field of Power Plant Induced byM in ing

WU Kan,XU Yanan,L ILiang
(College of environment and spatial information,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

The paper studied the destroyed rule of ash dam containing parts of fly ash caused bymining by using FLAC and obtained the critical distortion condition ofwaterwork structure(discharge pipe,drainpipe,stepped slope,etc)by usingANSYS.The comparison of research conclusion and real destroyed of a power plant showed that the calculation method was feasible and the result was dependable.The researchmethods and conclusionmightprovide technical reference formining under dams andmaintaining the structures of ash field.

mining subsidence;ash dam;hydraulic facility;numerical simulation

TD823.8

A

1006-6225(2010)06-0025-04

2010-10-18

国家科技支撑计划项目:城市废弃工矿区土地再利用技术研究 (2006BAJ14B07),‘青蓝工程’资助

吴 侃 (1963-),男,浙江东阳人,教授,博士生导师,从事三下采煤、开采沉陷规律、开采损害及防护的研究。

[责任编辑徐乃忠]