煤矿地下水库人工坝体抗震性能数值模拟研究

2022-12-08宋丹青刘晓丽王恩志张建民

水利规划与设计 2022年11期

宋丹青，刘晓丽，王恩志，张建民

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100091)

针对水资源时空分布不均的问题，我国一些学者提出了地下水库建设的理念[1- 2]。自上世纪80年始，河北省修建了第一个地下水库，为我国相应的地下水库建设提供了宝贵的原始经验[3- 4]。目前，我国煤炭开采面临诸多问题，包括引发的环境问题、废弃采空区的处置问题、矿区水资源缺乏等，煤矿开采作业对水资源浪费的严重性及对环境的破坏程度不容忽视。因此，为实现煤炭资源的绿色开采，大力推进保水开采技术势在必行。对煤矿地下水进行资源化再利用可以有效地保护矿区水资源，有助于解决水资源流失所引起的一系列的环境问题，开展煤矿地下水库方面的研究也尤为迫切。

地下水库是由天然的储水结构组成的库区，根据其储水结构形式的不同可划分为松散介质，裂隙介质，岩溶介质等；也可根据其挡水工程结构形式不同分为有坝，无坝和混合型3种类型[5- 8]，其中有坝地下水库主要建在山前坡积区，由于这种地势坡度大，会导致地下水的水力坡度陡，流速大，在其下游处有出口，需要修建地下坝截断水流，保持库容[9- 11]。许多学者针对地下水库开展了大量的研究，并取得了诸多的研究成果。张春辉等结合平潭芦洋埔地区的水文地质条件，研究了兴建地下水库的可行性，规划了地下水库地下坝、回灌系统和开采系统[11]。王兴超阐明了地下水库应用于海绵城市建设中的优势及地下水库调蓄、净化、水循环路径等基本原理，论证了地下水库系统应用于海绵城市建设的可行性[12]。李凤丽等结合母猪河下游的水文地质条件，利用Visual Modflow进行数值模拟，对地下水库进行调蓄分析，确定较为合理的开采方案[13]。王文才等通过采用公式推导和实验室相似模拟实验的方法，分析研究地震或其他震动持续存在的情况下，采空区水库各主要部分的稳定性以及安全度的变化情况[14]。姚旭初等以南水北调工程中线工程受水区北京市密怀顺区域为例，研究探讨了地下水库库容和特征水位的计算方法，并通过数值模型计算了地下水库的回补规模和合理的调蓄能力[15]。姚强岭等通过试验研究了地下水库人工坝体强度损伤演化特征[16]。曹志国采用数值模拟方法对地下水库的地震动力响应特征进行了研究，分析了地下水库的抗震性能[17]。顾大钊等采用振动台模型试验及数值模拟方法对地下水库的抗震性能进行了分析，研究了地震作用下地下水库的破坏特征及其影响因素[18- 19]。

目前，修建地下水库人工坝体将会面临诸多工程问题，坝体与围岩的协调性及坝体的安全性等将会对地下水库的建设和运营产生十分不利的影响。然而，目前针对覆岩及水头荷载作用煤矿采空区地下水库人工坝体抗震性能方面的研究不足。本文以我国北方某煤矿为例，采用有限元方法对地下水库结构开展动力分析，通过分析采强震作用下地下水库人工坝体、煤柱坝体及整体性结构的动力响应及破坏特征，研究了煤矿地下水库的抗震性能，为煤矿地下水库类似工程建设提供借鉴。

1 工程地质概况

内蒙古和陕西都是我国的煤炭储量大省，鄂尔多斯盆地有这样一个三角地带，被称为我国能源领域的“金三角”[18]。该地带北起鄂尔多斯市，南连陕西榆林市，西接宁夏宁东。“金三角”区域水资源存储量少，蒸发量大。矿区地处“金三角”核心，区域水资源仅占全国的0.37%，蒸发量超过降雨量的6倍。矿区内大部分煤层埋深浅，易开挖；基岩薄，易导通含水层。该区域属于河流沉积相，且岩相变化很大，后期的构造运动导致结构面发育。本文所研究的煤矿位于陕西省神木县，地处乌兰木伦河畔，煤矿地下水库示意图如图1所示[20]。地下水库挡水坝体由煤柱坝体和人工坝体交替连接而成，煤柱坝体宽约25m，高约5m，人工坝体厚度约1m，长度5m。

图1 地下水库示意图[20]

分布式地下水库对矿区水资源的保护起到了十分积极的作用。但同时，如何对分布式地下水库的安全性进行评价是地下水库技术应用和推广过程中亟待解决的关键问题之一。特别是在矿震、地震等极端条件下，地下水库能否安全运行既是关注的重点，也是最大的疑虑。为此，针对地下水库的抗震安全问题，结合前期的振动台模型试验工作，开展了一系列数值模拟的研究，以期评估在不同的地震烈度下地下水库的安全性。

2 地下水库结构及计算模型介绍

2.1 数值模型建模

根据实际工程情况，本着从局部到整体的研究思路，共选择了3种结构进行抗震分析，分别为单坝体结构、多坝体结构和上下层水库结构。本研究主要以单坝体结构为例，开展地下水库人工坝体抗震分析。煤矿分布式地下水库主要是由采空区、周围的留设煤柱及煤柱间的挡水建筑物-人工坝体组成，即地下留设煤柱通过人工坝体的连接，使采空区形成封闭空间。留设煤柱的宽度约为20～30m，典型的人工坝体结构如图2所示。人工坝体的整体结构由挡水墙与支墩组成，如图2(a)所示，其中挡水墙包括混凝土墙等4层结构，主要承载部分为混凝土墙，其余3层起到防渗保护作用。施工过程中，将两侧煤柱及顶、底板岩体进行掏槽处理，掏槽深度为300mm。支墩位于挡水墙凌空面(背水面)的中间位置，长1.7m，宽0.8m，高度与挡水墙一致，且上下均嵌入巷道的顶、底板中，其作用是为了增强坝体的稳定性，提高其抗倾覆的能力。根据实际工程的情况，选取了长100m，宽60m，深约150m的岩体范围为计算模型，其中煤柱高度约3.5m，宽度30m。实际工程中的人工坝体共有4层，在计算模型中并未考虑砖墙和黏土墙结构。

图2 地下水库人工坝体(单位：m)

采用ABAQUS开展数值模拟，不仅可胜任复杂结构的静态与动态分析，而且计算精度高，在爆炸、冲击、地震等非线性动力学分析中应用十分广泛。在单坝体结构的数值模拟过程中，由于主要考察的是人工坝体、煤柱坝体的抗震性能和破坏情况，而上层覆岩和底层岩体只起到提供地应力和支撑的作用，因此为了减少计算量、提高计算效率，模型中采用弹塑性本构模型来描述人工坝体和煤柱坝体，并结合岩土力学中常用的摩尔库伦屈服准则来判定材料状态，针对上层覆岩和底层岩体，则采用线弹性本构模型来描述其力学行为。数值模型中相关的材料参数见表1。坝体结构数值模型如图3所示。

表1 坝体物理力学参数

图3 坝体结构数值模型

2.2 地震载荷加载

采用EI-centro作为地震动加载波形，加载波的持时约为50s，其时程曲线如图4所示。从波形可以看出其破坏性较强的时间段约为前30s，因此为节省计算时间，在数值模拟过程中截取前30s的波形作为地震波的输入，并通过调整峰值加速度的方法模拟不同的地震烈度(模拟过程中选取了6～10度)，地震烈度与水平加速度峰值的对应关系见表2。地震波施加于计算模型的底部，以模拟地震波从下方传来的情况。

图4 EI-Centro地震波的时程曲线

表2 地震烈度与水平加速度峰值的对应关系

3 计算结果分析

3.1 人工坝体动力响应特征

在数值模拟中，主要通过塑性区范围来表达在地震载荷作用下，煤柱坝体、人工坝体及结构整体的响应特性及破坏情况。等效塑性应变大的地方岩土体的塑性变形都较大，可认为岩土体已经发生了破坏。为研究强震作用下地下水库整体结构、人工坝体结构及挡水墙动力响应及其破坏特征，输入不同地震烈度作用下的等效塑性应变如图5—9所示。地震烈度小于7度时，地下水库整体结构、人工坝体结构及挡水墙的等效塑性应变如图5所示。图5(a)和图6(a)表明，地震作用下地下水库的整体性结构的等效塑性应变主要集中在人工坝体区域，而在上覆岩体及基岩中数值很小，这说明地震作用下地下水库的主要表现出现在人工坝体区域。图5(b)、(c)和图6(b)、(c)表明，挡水墙的等效塑性应变较小，最大等效塑性应变集中在煤柱坝体与人工坝体交界处，最大值约为0.002715。地震作用下煤矿地下水库的变形破坏区域主要集中在煤柱坝体与人工坝体的交界处，上覆岩体及基岩变形较小，地震动对人工坝体及挡水墙变形的影响较小。由此可知，人工坝体的破坏特点主要有：坝体凌空面处容易破坏，特别是与地震波的运动方向垂直的凌空面，是最容易破坏的位置，较其他位置而言，这些地方比其他约束力较强的地方更容易发生破坏。

图5 6度地震作用后坝体破坏情况

图6 7度地震作用后坝体的破坏情况

图7 8度地震作用后坝体的破坏情况

3.2 强震作用下人工坝体损伤特征分析

为进一步研究强震作用下地下水库人工坝体结构的损伤特征，以输入地震烈度6～10度为例进行研究。输入地震烈度小于7度时，图5—6表明，人工坝体的损伤及破坏区域较小，地下水库整体性损伤破坏变形较小，主要在煤柱坝体区域出现了轻微的损伤变形，人工坝体及挡水墙区域未出现明显的损伤破坏，这说明地下水库抗震设计满足七级抗震标准。图7表明，地震烈度为8度时地下水库整体结构的等效塑性应变主要出现在煤柱区域，其他区域的等效塑性应变较小，这说明8度强震作用下地下水库的损伤变形主要出现在煤柱坝体区域，与6度和7度地震烈度相比，在8度和9度地震条件下，煤柱坝体出现了较为严重的损伤破坏，并且其损伤变形区域出现了一定程度的扩大，人工坝体几乎没有发生损伤破坏。

图8 9度地震作用后坝体破坏情况

图9 10度地震作用后坝体的破坏情况

此外，图8表明，地震烈度为9度时，挡水墙与煤柱接触区域的等效塑性应变出现了一定程度的增加；煤柱坝体的等效塑性应变范围出现了扩展增加，不仅在煤柱坝体与人工坝体交界处的等效塑性应变较大，而且在煤柱坝体的中央区域出现了条带式分布，煤柱的损伤变形规模及程度出现了较大的增加。输入10度地震烈度时，整个煤柱坝体均表现出了损伤变形特征，挡水墙与煤柱坝体接触区域的损伤变形十分严重。由此可知，随着地震烈度增加，煤柱坝体及挡水墙的损伤变形规模及程度逐渐增加，地震烈度6度和7度时，地下水库的损伤变形较小；地震烈度8度和9度时，煤柱坝体的损伤变形进一步增加，挡水墙的波形变形较小；地震烈度10度时，煤柱坝体出现了整体性破坏变形，挡水墙结构也随之出现了大变形破坏。

3.3 地震强度对地下水库人工坝体动力响应的影响

为研究地震强度对煤矿地下水库动力特性的影响，选取不同地震动强度下煤柱坝体的最大等效塑性应变及其放大倍率进行分析，如图10所示。图10(a)表明，随着地震烈度的增加，地下水库坝体结构的最大等效塑性应变逐渐增加，在地震烈度小于7度时，地下水库及煤柱坝体的最大等效塑性应变较小，整体上小于0.01。地震烈度8度时，煤柱坝体的最大塑性应变出现了一定程度的增加，最大等效塑性应变增加至0.035。地震烈度9度时，煤柱坝体的最大塑性应变出现了较大程度的增加，最大等效塑性应变增加至0.75。地震烈度10度时，煤柱坝体的最大等效塑性应变出现了大幅度的增加。图10(b)表明，挡水墙结构最大等效塑性应变水地震烈度增加逐渐变大，与煤柱坝体有相似的变化规律。基于上述数值模拟分析结果可知，在地震烈度7度以内，地下水库及煤柱坝体未出现明显的变形破坏，地震烈度大于8度后开始出现损伤变形破坏。