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驗?zāi)M、數(shù)值模擬和現(xiàn)場勘查的試驗研究，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，采用實驗室相似模擬實驗的方法對2 部分壩體之間的銜接處開展穩(wěn)定性相關(guān)實驗。利用數(shù)值模擬方法選用摩爾庫倫模型對正常作業(yè)環(huán)境下的銜接處進行全過程數(shù)值仿真模擬，并對比實驗室相似模擬成果進行研究分析。

1 相似模擬實驗

1.1 實驗設(shè)計

將取自李家壕煤礦工作面煤巖按照《工程巖體分級標準》的要求[12-14]，經(jīng)過切割、打磨工序制備成實驗室標準試件，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準試件，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。實驗試件如圖1。

圖1 實驗試件圖Fig.1 Experimental test piece

由于壩體銜接處在實際作業(yè)環(huán)境中受力情況復(fù)雜，不僅受到上覆巖層的壓力，還會因儲水緣故不可避免的受到單側(cè)水壓，此外，長時間浸泡于礦井水中會受到水的軟化甚至腐蝕作用，對本身存在孔隙和裂縫的壩體或是銜接處是嚴重的威脅。因此，為保證實驗室相似模擬實驗與實際情況的相符，以及實驗數(shù)據(jù)的可靠性，將試件制備成以下幾個狀態(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。對不同狀態(tài)下的試件進行單軸抗壓實驗，并對實驗過程中得到的破壞載荷、抗壓強度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)進行分析，得到試件的臨界力學(xué)參數(shù)，進而推廣至實際作業(yè)環(huán)境中，分析壩體銜接處的安全穩(wěn)定性。

1.2 實驗結(jié)果

根據(jù)國家水利水電勘測設(shè)計研究院實驗研究相關(guān)報告內(nèi)容，可以對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。

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

表1 試件單抽壓縮實驗測試結(jié)果Table 1 Test results of test-piece compression test

根據(jù)對巖體試樣的單抽壓縮試驗過程所測得的參數(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所測得數(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)實驗結(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)下的試件在水的長時間浸泡下，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擴展，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)實驗結(jié)果分析。過飽和狀態(tài)的試件實驗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，但相對于原始狀態(tài)破壞載荷高出13%左右，這說明浸水時間過長會使得試件的表面的軟化作用逐漸蔓延到試件內(nèi)部，進而降低整體的力學(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，在試件受到擠壓作用時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)強度，降低其破壞載荷。

3）實驗結(jié)論。同理，抗壓強度和彈性模量的變化趨勢與破壞載荷基本相符，這進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，反而增強其在擠壓實驗中的抗擠壓強度以及其他力學(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)計寬度人為增大，也就是將實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 個網(wǎng)格，模型的尺寸按長×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際受力情況以及實際水壓、孔隙壓力等對壩體銜接處的影響。

為了真實的模擬出與現(xiàn)場實際吻合的結(jié)果，在模型計算的過程中，初始化所有應(yīng)力，隨后，逐漸的對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，當模型再次恢復(fù)受力平衡時，記錄此時的計算步數(shù)為8 000 步。模擬實驗過程中，主要通過監(jiān)測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)的變化情況來評價壩體銜接處的穩(wěn)定性。同時，在模擬的全過程中對銜接處內(nèi)部點進行隨機跟蹤標記，并著重記錄標記點的水平方向位移以及整個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入到內(nèi)部的孔隙裂縫中，使得整個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

模擬全過程中隨機跟蹤標記點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)條件下不會對整個壩體的穩(wěn)定性造成威脅，而結(jié)界處被標記的各點處變形位移均隨著模擬進程而發(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 被標記點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)計提供重要依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）實驗室相似模擬實驗表明：雖然水對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了試件抵御其他外力的能力，間接增強了試件的力學(xué)強度。

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)計提供重要依據(jù)。