煤矿地下水库平板型人工坝体抗震性能分析

2023-05-22池明波曹志国李海祥吴宝杨

煤炭学报 2023年3期

池明波,李鹏,曹志国,武洋,张勇,李海祥,吴宝杨,3

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 100011;2.北京低碳清洁能源研究院,北京 100011;3.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100011;4.国能神东煤炭技术研究院,陕西榆林 719000)

西部矿区水资源短缺问题已成为社会各界关注的热点话题[1],为解决煤炭开发与水资源、生态环境保护之间的矛盾,前人开展了大量的理论研究与工程实践,其中顾大钊院士提出的煤矿地下水库技术使神东矿区矿井水使用率提升至83%以上,有效地解决了矿区生产、生态和生活用水问题[2-4]。然而,煤矿地下水库技术是一种新型地下水工结构,其工程安全问题是保障煤矿地下水库安全运行的核心。煤矿地下水库建设的关键是利用人工坝体将区段煤柱进行连接形成水库挡水坝体[3-4],所以人工坝体是整个水库安全的关键因素之一,研究人工坝体全生命周期内稳定性是保障煤矿地下水库执行“导储用”技术的核心内容。

煤矿地下水库在运行过程中始终处于动载作用环境中,包括临近工作面采动作用、采空区顶板垮落作用、矿区煤炭开采引起的矿震作用、区域地震引起的地震震动作用[2,5],这些动载作用时刻威胁着煤矿地下水库人工坝体的安全稳定,有必要对其抗震性能进行研究,为煤矿地下水库工程安全提供依据。针对煤矿地下水库抗震性能问题,前人分析了煤矿地下水库煤柱坝体在动载作用下变化特征,得到了煤柱坝体在动载作用下抗震性能,基于相似模拟实验、数值分析等方法详细分析了水平煤层采空区地下水库整体抗震性能,得到了上下煤层间抗震最优距离,提出了人工坝体在地震作用下稳定性变化特征[2,4,6-8];此外,众多学者针对地表水库在地震作用下安全稳定问题开展了大量研究,分析了地表水库地震影响下坝体变化规律[9-12],研究了储水、抽水过程中坝体应力与位移响应特征[13-17],还有学者针对相似模拟振动台试件与台面相互作用的力反馈补偿机制进行了深入探讨[18-21];在地下工程范畴,前人采用物理模拟和数值仿真等手段[22-26],针对不同工程抗震安全问题开展了相关研究,例如分析了边坡、隧道、土石挡墙、混凝土管廊、水塔结构体等在地震作用下响应特征[27-31]。以上研究成果为煤矿地下水库人工坝体结构抗震性能分析奠定了基础。

煤矿地下水库人工坝体抗震性能研究是维系水库全生命周期内安全稳定的核心,也是为现场工程实践进行监测预警的基础。为此,笔者以大柳塔煤矿2-2煤层煤矿地下水库为研究背景,基于振动台相似模拟实验、数值仿真和理论分析,研究不同强度地震作用下煤矿地下水库平板型人工坝体抗震性能,为煤矿地下水库安全稳定运行提供基础。

1 平板型人工坝体动力相似模拟实验设计及实验过程

1.1 工程背景及实验平台

本次相似模拟实验以神东矿区大柳塔煤矿2-2煤层煤矿地下水库为工程背景,利用煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室自主研发的“煤矿地下水库坝体结构试验平台”(图1)开展实验研究,该平台主要用于分析矿震或地震作用下坝体的安全性与稳定性,由振动台面、作动器、液压油源动力系统、控制器等组成。振动台面尺寸2 m×2 m,振动方向XY二向自由度,最大加速度1.5 m/s2,最大频率50 Hz,平台主要模拟煤矿地下水库人工坝体、煤柱坝体和2者结合部位处的不同工况条件,分析不同煤层厚度、倾角、煤体和围岩条件下坝体的应力应变情况。本次实验重点研究平板型人工坝体抗震性能,平板型人工坝体主要由C20混凝土浇筑而成,并嵌入只煤柱坝体内部50～80 cm,根据实测结果,人工坝体和煤柱坝体力学参数见表1。

图1 煤矿地下水库坝体结构试验平台Fig.1 Test platform for dam structure of underground reservoir in coal mine

表1 煤柱及人工坝体力学参数

1.2 模型设计及实验过程

根据大柳塔煤矿地下水库平板型人工坝体实际情况,本次实验平板型人工坝体采用模具进行提前浇筑,按照1∶10相似比,人工坝体长×宽×高=50 cm×10 cm×50 cm,顶底板及煤柱坝体掏槽深度5 cm,煤柱坝体宽40 cm,人工坝体铺设在煤柱坝体中间,煤柱坝体靠近模型边界铺设,在模型另一侧根据相似比布置碎石(碎石样品来自大柳塔顶板),模型示意及尺寸如图2(a)所示。

为监测震动过程中平板型人工坝体变化特征,本次实验采用3种方法对人工坝体变化情况进行监测分析(图2(b)):① 在人工坝体内部布置压力盒,监测震动过程中人工坝体内应力变化规律,掌握人工坝体整体稳定性,测点按顺序进行标号;② 在靠近采空区侧利用位移计,时刻监测煤柱坝体水平方向位移变化规律,对煤矿地下水库整体稳定性进行分析;③ 利用散斑图像处理技术对平板型人工坝体应力、应变和位移进行实时监测,对人工坝体抗震性能进行综合评价。

图3 EI Centro地震波加速度时程曲线Fig.3 EI Centro seismic wave acceleration time history curve

本次地震波选取埃而森特罗波(EI Centro)地震波(图3),试验过程中依据峰值加速度大小逐级输入地震波(1、2、4、8、15 m/s2),各波段持续时间为54 s,用以模拟不同强度振动作用对人工坝体影响。输入过程中,地震波形保持不变,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010),地震抗震设防烈度与基本地震加速度的关系见表2。

表2 地震抗震设防烈度与基本地震加速度的关系

2 不同地震作用下人工坝体响应特征

2.1 应力变化特征分析

本次实验分2阶段进行:第1阶段,对模型施加1、2、4、8、15 m/s2(2次);第2阶段,在模型顶板施加0.2、0.4、0.8、1.0、和1.1 MPa压力,并在每个压力段施加1、2、4、8、15 m/s2的地震波。各阶段应力变化结果如图4～6所示。

应力测点布置位置(图2(b)),将人工坝体监测点分为2种情况:①Z方向上分为坝体底部、坝体腹部、坝体顶部;② 垂直坝体方向上分为坝体正面(巷道侧)和坝体反面(采空区侧)。根据是否施加应力,对各阶段应力变化情况进行分析。从图中可以看到,未加压阶段与加压段平板型人工坝体内应力变化较小,加压阶段应力变化成“水瓶”形状变化,先增加后逐渐降低,震动和压力作用下应力有增加现象,在加压震动阶段最后阶段(15 m/s2地震波循环7次)应力逐渐降低至初始值(0.2 MPa)。

图4 震动全过程中坝体应力变化信息Fig.4 Stress change information of dam body in the whole process of vibration

图5 非加压震动过程中坝体不同水平应力变化信息Fig.5 Variation information of dam stress at different levels during pressurized vibration

图6 加压震动过程中坝体不同水平应力变化信息Fig.6 Variation information of dam stress at different levels during pressurized vibration

从图5可以看到,坝体内应力随着地震波强度的增强逐渐增加,坝体应力变化规律为底部>腹部>顶部,在同一地震波范围内底部应力峰值约大于顶部50%,顶底部应力发生突变的地震波均在0.4 m/s2后,且在地震波增加至1.5 m/s2时,应力最大值基本保持在5～7 kPa内,对人工坝体基本无较大损伤。根据坝体正反面监测结果来看,在震动过程中发生较大应力变化的为靠近采空区一侧,且变化最大变化的位置为靠近底部中间位置(4号监测点),同一地震波范围内应力反面峰值大于正面10%左右。发生以上原因主要有:① 地震波在震动过程中坝体底部受到的震动作用强于上位位置,随着距离震动面越远震动强度越小;② 在震动过程中采空区碎石对人工坝体造成二次冲击震动,特别是靠近坝体底部中间位置的碎石在冲击过程中引起坝体发生应力集中。

为分析在上覆岩层压力和地震作用下人工坝体稳定性特征,在第1阶段震动结束后对模型顶板进行加压,结果如图6所示。在顶部应力-震动双重作用下,坝体内应力迅速增加,与非加压阶段变化规律相同,水库侧应力>巷道侧,且水库侧应力最大值为巷道侧的3倍左右;不同的是加压后应力变化的主要位置在坝体底部边界处(1号、2号、5号、6号),其次为中间边界和顶部边界位置。出现以上现象的原因为:由于人工坝体和煤柱坝体强度不同,上覆压力作用下容易在煤柱坝体与人工坝体连接处发生应力集中,地震波震动过程中对坝体又受到叠加动载作用,引起连接处应力叠加,最终导致煤柱坝体和人工坝体连接处应力较其他测点内应力高。

2.2 应变变化特征分析

基于散斑监测,对震动过程中坝体应变进行监测,进一步分析人工坝体抗震性能。从监测结果来看,在整个震动过程中,人工坝体表面未发生较大的应变,始终处于弹性工作状态;当地震波强度增加至15 m/s2时,经过2次震动后在煤柱坝体底角处发生较大的应变(图7),直接引起煤柱坝体底部产生裂纹,但人工坝体未发生塑性变化。

在顶部加载和地震作用下,人工坝体在整个循环加载和震动作用下始终处于稳定状态,而煤柱坝体首先在底边处发生损伤破坏,随着压力的增加破坏逐渐向顶板发展,最终导致煤柱坝体应变变形严重,使整个坝体稳定性减弱(图8)。

图7 非加压阶段人工坝体表面应变变化情况Fig.7 Variation of surface strain of artificial dam in non pressurized stage

图8 加压阶段人工坝体表面应变变化情况Fig.8 Variation of surface strain of artificial dam in pressurization stage

从以上研究结果可以看出煤矿地下水库平板型人工坝体可以抵抗约10烈度的地震作用,在地震反复加载作用下仍然能保持完整性,顶板压力对人工坝体的破坏作用有限。

2.3 位移变化规律分析

震动过程中位移变化是表征人工坝体稳定性的重要显性指标,从采空区布置的位移计和散斑监测位移结果综合分析平板型人工坝体抗震性能。整个实验过程对人工坝体影响甚微,在垂直坝体方向位移最大仅为0.19 mm(图9),证明在震动过程中人工坝体与煤柱坝体之间未发生错动或破坏。

图9 坝体反面移变化曲线(位移计)Fig.9 Change curve of dam reverse displacement (displacement meter)

基于散斑监测技术,在坝体正面选取9个典型位置点进行位移变化分析,监测点及结果如图10所示,测点0、2、3、4分别在煤柱坝体腹部,测点1、5、6、7、8分别在人工坝体腹部和四角处。对监测结果进行差值、去噪后(图10(b)中红线)得到坝体各监测点位移变化结果。

由图10可知,煤矿地下水库坝体在地震过程中位移随地震波起伏状态而增减,最大位移出现在人工坝体底部,其次为人工坝体腹部,最大位移为78 mm,经去噪差值后最大位移为65 mm,煤柱坝体最大位移为60 mm,峰值相差约5 mm,在此基础上对各测点平均值进行计算,其中最大值为最小值的1.34倍,人工坝体速度为煤柱坝体的1.14倍,在2者位移差值影响下,人工坝体对煤柱坝体连接处造成冲击影响。

通过以上分析可知,地震作用下煤柱和人工坝体均发生一定位移变化,但不影响水库坝体整体稳定性,由于坝体巷道侧为自由面,产生的位移大于水库侧;但采空区侧由于碎石冲击、堆积挤压等作用下,其应力大于巷道侧,同时也是造成巷道侧位移较大的原因之一。综上可知,人工坝体虽然存在位移增减现象,但整体稳定性未受到破坏,始终处于完整状态,可以抵抗15 m/s2(10烈度以上地震)震动。

3 煤矿地下水库整体抗震性能分析

坝体安全是煤矿地下水库的核心,与地表水库不同的是,其由煤柱和混凝土2种材料“拼接”而成,所以分析煤矿地下水库人工坝体的抗震性能还要兼顾煤柱坝体的稳定性变化特征。为此,对比分析2种材质所组成坝体的抗震性能,为煤矿地下水库安全稳定提供基础。

根据第2节分析结果,在上部无压力震动时地下水库整体未受到影响,但在加压过程中煤柱坝体逐渐发生垮落,破坏初始点位于煤柱坝体底部;坝体表面裂隙由底部逐渐向顶部扩展、贯通,最终产生大面积垮塌。随着压力的不断增加和震动的循环加载作用,破坏程度和垮落面积逐渐增加,如图11所示。在震动和顶部压力作用下,破坏位置逐渐发育至人工坝体边界处(图11(e)),在压力增加至1.1 MPa并循环施加15 m/s2地震波后,煤柱坝体由底至顶呈“楔形”垮塌破坏(图11(f)～(i)),此时煤矿地下水库整体稳定受到影响,水库可能会有渗水甚至涌水危险。

为进一步分析煤矿地下水库坝体抗震性能,针对大柳塔煤矿地下水库情况,基于有限元计算理论和方法,构建三维数值仿真模型,分析地震过程中坝体各参量变化规律,模型尺寸:X×Y×Z=726 m×400 m×320 m,人工坝体按照大柳塔2-2煤层地下水库实际情况进行布置,人工坝体厚1 m,长×高=5 m×5 m,顶底板及两帮嵌入深度为0.5 m。模拟顺序为首先开挖巷道,然后开采2-2煤层工作面,工作面开采结束后开挖联络巷并布置人工坝体,在计算过程中在人工坝体、煤柱坝体及连接处布置监测点,重点监测地震作用下位移、应力及塑性区等参数变化规律,将人工坝体单元在地震影响下的各参数变化进行提取分析,得到模拟结果如图12所示。

模拟结果显示,位移和应力变化位置主要在人工坝体与煤柱坝体附近。人工坝体发生应力集中和位移较大位置在坝体底部,其次为腹部和顶部。相较于煤柱坝体而言,人工坝体应力集中点主要在坝体连接处和底部,与工作面垂直方向上(σx)应力主要在坝体腹部,结合相似模拟结果(图13),地震作用下煤矿地下水库最易发生破坏的位置在底部连接处。

人工坝体X、Y、Z三个位移变化趋势为

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可知,X方向(垂直工作面)位移变化最大(图13),主要原因为地震波与X方向垂直,引起坝体在X方向造成较大的剪切力,引起位移大于其他2个方向;结合应力变化,煤柱坝体和人工坝体均未发生塑性变形,整体处于弹性工作状态,煤矿地下水库整体保持完整。

根据上文相似模拟和数值分析结果可知,在地震作用下人工坝体底部最易发生位移,导致煤柱坝体产生裂隙而发生破坏,造成水库坝体失稳,其破坏形式有2种:① 人工坝体在巷道侧发生较大位移,坝体底部向巷道侧“倾倒”,称为外部移动模式;② 人工坝体在水库侧发生较大位移,坝体底部向水库侧“倾倒”,称为内部移动模式。为进一步分析地震作用下人工坝体发生位移并逐渐产生破坏过程,参照黄睿提出的“考虑位移地震作用土压力”计算方法[32],将人工坝体破坏形式简化为“外部移动”和“内部移动”2种情况(图14(a)、15(a)),其力学模型如图14(b)和15(b)所示。

图11 震动过程中坝体破坏情况Fig.11 Dam damage during vibration

图12 煤柱坝体及人工坝体各参量变化特征Fig.12 Variation characteristics of parameters of coal pillar dam and artificial dam

图13 震动过程中坝体位移变化特征Fig.13 Variation characteristics of dam displacement during vibration

图14 外部移动破坏形式模型Fig.14 External movement failure form model

图15 内部移动破坏形式模型Fig.15 Internal movement failure form model

基于W-O地震模型计算方法,在挡土墙水平分层法和拟静力分析法基础上,建立煤矿地下水库平板型人工坝体地震作用(法向和切向地震惯性力)影响下破坏模型。坝体法向方向力平衡、剪切方向力平衡分别如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

令

(6)

其中,pax为坝体水平反力,N;pz为坝体上部压力,N;τ1为巷道侧坝体与煤柱连接处摩擦力,N;τ2为水库侧坝体与煤柱连接处及碎石间摩擦力,N;r为水库侧水体和碎石对坝体的垂直压力,N;kn为坝体法向地震惯性力,N;kv为坝体切向地震惯性力,N;H为坝体高度,m;z为单元体埋深,m;V为人工坝体与煤柱摩擦力,N;α为碎石发生滑移角度,(°);γ为坝体容重,kN/m3;kaw为坝体受到的侧向压力系数,kaw=σah/σav,σah、σav分别为坝体任意一点水平应力和垂直压力,MPa;φ′为人工坝体与煤柱水平等效摩擦角,(°);θ为坝体碎石摩擦角,(°);φ为碎石内摩擦角,(°)。

将式(6)代入式(4)可得

(7)

将式(7)代入式(5)得到地震作用下水库侧对坝体的压力方程:

(8)

式中,η为滑动土楔体的滑裂角。

假定式(8)满足边界z=0、dz=0,得到地震作用下人工坝体应力强度分布为

(9)

水平方向合力可表示为

(10)

同样,对内部位移形式下人工坝体进行计算,得到该形式下分布及合力为

(11)

(12)

由式(9)～(12)可知,无论是内部移动还是外部移动,坝体内应力均随着H的增加应力逐渐增大并呈非线性变化趋势,增长速率也随着深度增加逐渐变大,地震作用下,在水库坝体底部应力最大,是整个水库坝体的应力集中区域。在地震加载作用下人工坝体底部产生应力集中,造成人工坝体和煤柱坝体连接处发生剪切破坏,人工坝体底部产生较大位移,发生内部或外部移动破坏形式,该计算结果与模拟结果相一致。

综上所述,煤矿地下水库平板型人工坝体可以抵抗10烈度以上地震,在循环地震波加载作用下仍保持弹性工作状态;但在顶部压力增加情况下会引起煤柱坝体发生破坏,压力越大破坏程度越大。分析原因主要有:① 煤柱坝体和人工坝体材质不同,2者在地震过程中产生的加速度不同,引起的震动频率和速度产生差异,会引起连接处发生较大应力集中;② 人工坝体“镶嵌”在煤柱坝体内,在地震作用中限制了其产生自由运动,增加了其抗震性能;③ 当顶部应力增加后,由于人工坝体强度高于煤柱坝体和底板,在人工坝体底部产生应力集中,引起煤柱坝体产生塑性破坏,裂隙发育、整体性破坏,在地震波加载过程中易产生拉伸、剪切破坏;④ 在上部加载作用下,水库坝体产生变形程度不同,煤柱坝体产生不均匀压缩变形,在坝体连接处顶部产生应力集中,在地震作用下发生破坏,降低了水库坝体整体抗震性能。