吳 侃,徐亞楠,李 亮

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇徐州 221008)

電廠儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施開采破壞分析研究

吳 侃,徐亞楠,李 亮

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇徐州 221008)

應(yīng)用有限差分軟件 FLAC對(duì)含多級(jí)粉煤灰子壩的灰壩在開采影響下的破壞規(guī)律進(jìn)行了研究,得到了其所能承受的臨界變形值。用有限元程序 ANSYS分析了泄洪管、排灰水管和多級(jí)跌水斜槽等水工設(shè)施在開采影響下的臨界變形條件。并將獲得的研究成果與某儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施的開采破壞情況進(jìn)行了比對(duì)分析,驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性和計(jì)算結(jié)果的可靠性。研究得到的結(jié)論和采用的研究方法為儲(chǔ)灰場(chǎng)下煤炭資源的開采及儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施的維護(hù)治理工作提供了技術(shù)依據(jù)。

灰壩;水工設(shè)施;開采沉陷;數(shù)值模擬

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源之一,而火力發(fā)電是我國(guó)電力資源供應(yīng)最為主要的途徑[1]。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮,許多火力電廠設(shè)置在煤礦周邊,其儲(chǔ)灰場(chǎng)自然位于各煤礦井田及附近區(qū)域。對(duì)于這種情況,煤礦開采對(duì)儲(chǔ)灰場(chǎng)的影響不可避免。開展儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施開采破壞分析研究有利于指導(dǎo)灰場(chǎng)下資源的順利采出和保護(hù)灰場(chǎng)設(shè)施的正常使用,達(dá)到雙贏。

1 儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施

儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施有灰壩、泄洪洞和排灰水管(窗口式豎井,多級(jí)跌水斜槽)?；覊我话惆ǔ跗诨覊?二級(jí)、三級(jí)粉煤灰子壩等。初期灰壩為土石壩,為透水性的。以后逐步加高的二級(jí)、三級(jí)等子壩為粉煤灰子壩,見圖 1。

泄洪洞為鋼筋砼管,豎井進(jìn)水,見圖 2、圖 3。

排灰水管為鋼筋砼管,排水方式有窗口式豎井排 水,或用多級(jí)跌水斜槽排水,見圖 4～圖 6。

圖 2 泄洪豎井

圖 3 泄洪洞

圖 4 排灰水管

圖 5 窗口式豎井

圖 6 多級(jí)跌水斜槽

2 開采對(duì)灰壩的破壞分析

2.1 分析方法的確定

FLAC程序主要是用于巖土力學(xué)和工程開發(fā)的計(jì)算軟件,與同類軟件相比,FLAC具有更為先進(jìn)的功能:包含了能反映地質(zhì)材料力學(xué)效應(yīng)的計(jì)算功能,主要用于解決巖土工程問(wèn)題 (邊坡穩(wěn)定性、地下建筑、采礦工程、巖體和土體錨固、重力壩設(shè)計(jì)、地下水滲流等),可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞,能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為[2]。所以,對(duì)灰壩受開采影響破壞情況分析采用 FLAC進(jìn)行模擬。

2.2 計(jì)算參數(shù)和邊界條件的確定

由于大壩的構(gòu)筑材料無(wú)論是土石還是粉煤灰都是彈塑性地質(zhì)材料[3-4],在材料達(dá)到屈服極限后,可產(chǎn)生較大的塑性流動(dòng)。研究對(duì)灰壩采用莫爾 -庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則[5-6]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的資料和相關(guān)土力學(xué)理論,確定出灰壩模型計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示。

為了分析灰壩受開采影響的破壞情況,在給灰壩模型施加位移邊界時(shí)要充分考慮到位移邊界應(yīng)符合開采沉陷規(guī)律,并考慮最不利的情況。在施加邊界條件時(shí),以水平變形為基準(zhǔn),通過(guò)各種變形之間的相互關(guān)系確定出曲率變形和傾斜變形,然后將水平變形轉(zhuǎn)化為不均勻水平移動(dòng),將曲率變形和傾斜變形轉(zhuǎn)換為不均勻的下沉,確定出合適的位移邊界[7],代入模型中進(jìn)行計(jì)算。壩底附加的下沉曲線和水平移動(dòng)曲線見圖 7,模型的邊界條件如圖 8所示。

表 1 壩體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 灰壩破壞情況分析

圖 7 壩底附加的下沉曲線 (1)和水平移動(dòng)曲線 (2)

圖 8 灰壩附加計(jì)算邊界條件后的模型

對(duì)灰壩開采影響下的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬(假定灰壩的浸潤(rùn)線高度在設(shè)計(jì)位置內(nèi)),通過(guò)不斷改變邊界條件來(lái)分析不同開采強(qiáng)度情況下灰壩的變形情況。圖 9水平變形為 3.5mm/m,曲率變形為 0.15×10-3/m,傾斜變形為 6.9mm/m;圖 10水平變形為 8.0mm/m,曲率變形為 0.36×10-3/m,傾斜變形為 15.7mm/m,圖 11為更大變形時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果。

圖 9 灰壩拉應(yīng)力分布 (無(wú)破壞現(xiàn)象)

圖 10 灰壩拉應(yīng)力分布 (出現(xiàn)臨界破壞現(xiàn)象)

圖 11 灰壩拉應(yīng)力分布 (破壞區(qū)明顯擴(kuò)大)

圖 10中橢圓形區(qū)域?yàn)榘l(fā)生滑坡失穩(wěn)區(qū)域 (局部破壞),這種情況對(duì)應(yīng)的變形值即為灰壩破壞的臨界變形值。隨著變形的不斷增大,當(dāng)水平變形大于 8mm/m、曲率變形大于 0.36×10-3/m時(shí),傾斜變形大于 15.7mm/m時(shí),壩體失穩(wěn),出現(xiàn)了整體性的破壞,見圖 11。

不斷改變灰壩的高度,即不斷增加子壩 (增加二級(jí)、三級(jí)子壩),進(jìn)一步進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,增加灰壩高度后,灰壩破壞的臨界變形值沒(méi)有明顯差異,但灰壩一旦超過(guò)臨界變形值產(chǎn)生破壞,壩高越高,破壞的速度越快,越難控制。

3 開采對(duì)水工設(shè)施的破壞分析

因各水工設(shè)施均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),屬脆性材料,而國(guó)際通用有限元模擬軟件 ANSYS在模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面有出色表現(xiàn)[8-9],在計(jì)算中采用該軟件,邊界條件同樣采用符合開采沉陷規(guī)律的水平方向位移和豎直方向位移。結(jié)合鋼筋混凝土的鋼筋配筋率和工程上的經(jīng)驗(yàn)選取各水工設(shè)施破壞標(biāo)準(zhǔn)為[10-12]:最大拉應(yīng)力超過(guò) 1.6MPa或最大拉應(yīng)變超過(guò) 6×10-5。

模擬得到的排灰水管三維應(yīng)力和最大截面應(yīng)變分布情況如圖 12和圖 13。

圖 12 排灰水管三維應(yīng)力分布

圖 13 排灰水管最大截面應(yīng)變分布

泄洪水管和多級(jí)跌水斜槽采用相同的情況進(jìn)行分析。得到:排灰水管所能承受的臨界變形值為:水平變形ε=2.0mm/m,傾斜變形 i=3.9mm/m,曲率變形 K=0.09×10-3/m;泄洪水管所能承受的臨界變形值為:水平變形ε=1.5mm/m,傾斜變形i=2.6mm/m,曲率變形 K=0.06×10-3/m;多級(jí)跌水斜槽所能承受的臨界變形值為:水平變形ε=2.5mm/m,傾斜變形 i=4.9mm/m,曲率變形 K=0.11×10-3/m。

4 結(jié)論

通過(guò)研究、計(jì)算和分析,可以獲得如下幾個(gè)基本結(jié)論:

(1)儲(chǔ)灰場(chǎng)內(nèi)各種設(shè)施的結(jié)構(gòu)本身能承受的開采引起的臨界變形值匯總?cè)绫?2。

表 2 儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施破壞臨界變形值

(2)上述獲得的成果與某儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施的破壞情況進(jìn)行了比對(duì),基本與實(shí)際情況相符,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。這一結(jié)果為儲(chǔ)灰場(chǎng)下采煤及儲(chǔ)灰場(chǎng)主要設(shè)施的維護(hù)治理工作提供了技術(shù)依據(jù)。

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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

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目:城市廢棄工礦區(qū)土地再利用技術(shù)研究 (2006BAJ14B07),‘青藍(lán)工程’資助

吳 侃 (1963-),男,浙江東陽(yáng)人,教授,博士生導(dǎo)師,從事三下采煤、開采沉陷規(guī)律、開采損害及防護(hù)的研究。

[責(zé)任編輯徐乃忠]