矿井地下水库坝体衔接处稳定性研究

王文才，李雨萌

（内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头014010）

煤矿地下水库是近些年国家提出绿色矿山后，矿山企业提出的新型地下水利系统，修建采空区水库保障了井下安全生产，减少矿井水排至地表而造成的土地环境盐碱化污染，间接保护了矿区的生态[1-4]。坝体是由安全煤柱和人工构筑坝体经过帷幕灌浆等浇筑工艺连接起来的，坝体安全稳定是煤矿地下水库安全的关键，一方面保证坝体的力学性能，保障采空区水库的稳定；另一方面防止水库水的渗流与泄露，防止突水危害井下安全[5-7]。相关专家对安全煤柱以及人工构筑坝体的力学性能、安全稳定性等开展了大量的实验模拟、数值模拟和现场勘查的试验研究，然而2 部分坝体之间的衔接处的安全稳定也是不容忽视的重要部分。尽管优质的灌浆成分使得衔接部分的物理力学性能稳定可靠，但是与2 部分坝体衔接处存在孔隙甚至裂缝威胁坝体的安全稳定，因此，坝体衔接处的相关研究对地下水库的正常作业有重要影响[8-11]。

鉴于此，将神华集团李家壕煤矿的采空区地下水库作为工程研究背景，采用实验室相似模拟实验的方法对2 部分坝体之间的衔接处开展稳定性相关实验。利用数值模拟方法选用摩尔库伦模型对正常作业环境下的衔接处进行全过程数值仿真模拟，并对比实验室相似模拟成果进行研究分析。

1 相似模拟实验

1.1 实验设计

将取自李家壕煤矿工作面煤岩按照《工程岩体分级标准》的要求[12-14]，经过切割、打磨工序制备成实验室标准试件，试件尺寸为50 mm×50 mm；再根据人工坝体构筑的成分要求，将人工坝体普遍采用的成分混凝土、泥岩、砂岩按照合理的分配比例制备人工坝体标准试件，试件尺寸为50 mm×50 mm。随后，将煤岩试件和人工坝体试件用帷幕灌浆的方法，使用灌浆水泥将二者紧密黏合在一起。实验试件如图1。

图1 实验试件图Fig.1 Experimental test piece

由于坝体衔接处在实际作业环境中受力情况复杂，不仅受到上覆岩层的压力，还会因储水缘故不可避免的受到单侧水压，此外，长时间浸泡于矿井水中会受到水的软化甚至腐蚀作用，对本身存在孔隙和裂缝的坝体或是衔接处是严重的威胁。因此，为保证实验室相似模拟实验与实际情况的相符，以及实验数据的可靠性，将试件制备成以下几个状态：原始状态、试件浸水未饱和、试件浸水饱和、试件浸水过饱和。对不同状态下的试件进行单轴抗压实验，并对实验过程中得到的破坏载荷、抗压强度以及弹性模量等力学参数进行分析，得到试件的临界力学参数，进而推广至实际作业环境中，分析坝体衔接处的安全稳定性。

1.2 实验结果

根据国家水利水电勘测设计研究院实验研究相关报告内容，可以对岩体试样受压过程采用如下的弹性本构方程：

式中：σ 为弹性本构体所受压力，MPa；E 为弹性模量，MPa；ε 为应变；εpk为峰值应变；a1、a2、a3为常数项。

将实验全过程中传感器收集到的实验数据进行分析转化，得到不同状态试件的破坏载荷、抗压强度以及弹性模量等力学参数，为尽量减小误差，防止实验数据出现特殊性，每种状态下的试件制备5～7 个，最终选取每种状态下较为平稳的3 组数据，试件单抽压缩实验测试结果见表1，并取其平均值后绘制三y 轴折线图进行下一步分析，力学参数变化折线图如图2。

表1 试件单抽压缩实验测试结果Table 1 Test results of test-piece compression test

根据对岩体试样的单抽压缩试验过程所测得的参数数据，采用数值分析最小二乘法等分析参数变化情况，折线图说明上述试验所测得数据与试件状态为为非线性关系。

图2 力学参数变化折线图Fig.2 Mechanical parameter change line chart

1）未饱和状态实验结果分析。未饱和状态下的破坏载荷低于原始状态的试件，说明水的软化作用降低了衔接处的力学强度；饱和状态试件的破坏载荷却高于原始状态约30%左右，这说明完全饱和状态下的试件在水的长时间浸泡下，表面可能发生软化，但内部的孔隙裂缝完全被水填充，这使得试件更饱和，试件在挤压过程中裂隙不但不会扩展，反而被水填充的裂隙更具有抵御挤压的能力，故破坏载荷出现上升的情况。

2）过饱和状态实验结果分析。过饱和状态的试件实验所得破坏载荷较完全饱和状态下的数据又有所下降，但相对于原始状态破坏载荷高出13%左右，这说明浸水时间过长会使得试件的表面的软化作用逐渐蔓延到试件内部，进而降低整体的力学性能，但是填充到试件孔隙裂缝的水使得试件内部充实，在试件受到挤压作用时间接起到一定抗压作用，但是该状态下的破坏载荷低于饱和状态10%左右，这说明过饱和状态下，水的软化作用从表面至试件内部逐渐削弱了试件的力学强度，降低其破坏载荷。

3）实验结论。同理，抗压强度和弹性模量的变化趋势与破坏载荷基本相符，这进一步说明水的软化作用存在2 方面的作用效果：一方面弱化了试件的性能，降低力学性能；另一方面，填充到试件孔隙裂缝中，反而增强其在挤压实验中的抗挤压强度以及其他力学性能。

2 数值模拟

2.1 建立模型

根据李家壕煤矿采空区地下水库坝体的实际情况建立数值模拟模型，模型分为3 部分：煤柱坝体、人工坝体和衔接处，这3 部分的参数物理力学见表2。模型选用岩土类最通用的摩尔-库伦模型，其固定边界条件与应力边界条件如图3。为使得模拟效果明显易于分析，将衔接处的设计宽度人为增大，也就是将实际条件的坝体衔接处放大，这更有助于凸出衔接处在模拟中的变形。模型共有3 部分，模型划为40 000 个网格，模型的尺寸按长×宽×高=100 m×10 m×40 m 设定，其中40 m×10 m×40 m 为坝体的2 部分，20 m×10 m×40 m 为衔接处部分，三维基本模型如图4。

表2 模型的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

图3 应力边界条件Fig.3 Stress boundary conditions

图4 三维模型图Fig.4 3D model diagram

2.2 模拟结果

为探究坝体衔接处在正常作业条件下的变形破坏情况，并分析其稳定性，采用FLAC3D数值模拟软件模拟坝体部分的实际受力情况以及实际水压、孔隙压力等对坝体衔接处的影响。

为了真实的模拟出与现场实际吻合的结果，在模型计算的过程中，初始化所有应力，随后，逐渐的对模型施加单向水压力、孔隙压力并固定上覆岩层自身重力，以此来表示不平衡力压裂产生的水平变形，当模型再次恢复受力平衡时，记录此时的计算步数为8 000 步。模拟实验过程中，主要通过监测坝体衔接部分的塑性区大小、衔接部分水平方向变形位移、衔接部分水平方向变形速度、孔隙水压力以及不平衡力等参数的变化情况来评价坝体衔接处的稳定性。同时，在模拟的全过程中对衔接处内部点进行随机跟踪标记，并着重记录标记点的水平方向位移以及整个模拟过程的不平衡力变化情况。

2.2.1 水平变形位移分析

数值模拟坝体作业全过程水平方向变形位移云图如图5。图5 表明在煤柱坝体与衔接部分的交界位置处的水平变形量最明显，说明在单侧水压力存在的条件下，煤柱坝体与衔接处表面均受到水的软化作用，从力学角度无论煤柱坝体还是衔接部分的力学性能减弱，在上覆岩层自重的挤压下发生变形；水平方向的变形位移发生在表面和衔接处内部，表明煤柱坝体和衔接部分之间存在大量孔隙裂缝，单侧水压力将水以孔隙水压的方式从表面挤压进入到内部的孔隙裂缝中，使得整个衔接处的剖面受到水的浸湿软化作用，在上覆岩层自重的情况下，整个衔接部分，无论表面内部均产生水平方向变形位移。

图5 模拟条件下水平方向位移变形Fig.5 Horizontal displacement deformation under simulated conditions

2.2.2 孔隙水压力分析

人工坝体与衔接部分的交汇处水平方向变形不明显，说明衔接部分的浇筑材料与人工坝体材料相仿，2 部分衔接处孔隙裂缝较少，契合更为紧密，强度更稳定。模拟条件下孔隙水压力分布如图6。结合孔隙水压力在煤柱坝体与衔接部分交界处剖面的云图，煤柱坝体和衔接部分的交界处的孔隙水压力明显较大，受到变形破坏影响也更为严重，坝体的安全隐患存在于这些容易忽视的衔接处。孔隙水压力云图表明：坝体与衔接部分的结界处内部是受孔隙水压力最严重的部分，坝体最终出现失稳破坏，很可能是由于结界处内部最先开始发生变形破坏，随着变形破坏逐渐向表面扩展延伸，最终造成溃坝突水后果。

图6 模拟条件下孔隙水压力分布Fig.6 Pore water pressure distribution under simulated conditions

2.2.3 不平衡力分析

模拟过程中变形速度、总变形位移以及所受不平衡力的矢量图如图7。变形速度以及总位移变形量的矢量方向箭头均由内部向外发散，说明在单侧水压力和上覆岩层自重力的共同作用下变形向外侧延伸，这是由于在浸水条件下，水的软化作用，导致坝体以及衔接部分的力学性能减弱变软，软化作用使得该部分更容易发生变形，因此在上覆岩层自重的压力下水平方向会出现外凸起，这表示受到水压的一侧发生变形。模拟的整个过程就是平衡力逐渐均布平衡的过程。模拟开始前初始化应力后，模型处于受力平衡状态，随后施加的单侧水压力改变模型最初状态，出现应力集中，在不平衡力作用下变形产生后，整个坝体向平衡方向靠近，最终变形稳定，受力平衡。

图7 模拟条件下速度、位移、不平衡力矢量图Fig.7 Speed, displacement, and imbalance forces under simulated conditions

模拟全过程中随机跟踪标记点处不平衡力变化情况以及水平变形位移变化情况如图8、图9。由图8、图9 可以看出，不平衡力随着模拟过程的推进逐渐趋于稳定，说明模拟过程就是不平衡力逐渐分散开并趋于平衡的过程，同时除结界处以外的部分在该种作业环境下，没有发生明显变形或是破坏，正常作业条件下不会对整个坝体的稳定性造成威胁，而结界处被标记的各点处变形位移均随着模拟进程而发生变化，且发展变化过程影响着结界处的变形程度，跟踪数据表明：变形的最大量为10 cm，即由内部向浸水侧凸出10 cm。

图8 不平衡力变化曲线Fig.8 Unbalanced force curve

图9 被标记点处水平变形量曲线图Fig.9 Horizontal deformation curves at the marked point

综上所分析，坝体整体稳定性的保证在于关注细节部位，尤其是最易被忽略的在衔接部分的内部位置。在连接煤柱坝体和人工坝体的作业中，应该择优选择衔接材料，更应注意衔接内部中心部位的作业过程更应细致，最大可能减少衔接处内部的孔隙裂缝是保证坝体安全稳定作业至关重要的因素，也为地下水库坝体优化设计提供重要依据。

3 结 论

1）实验室相似模拟实验表明：虽然水对坝体存在不可忽视的软化作用，且表面软化作用的存在弱化了试件的力学性能，降低了试件的强度；但是，填充到试件孔隙裂缝中的水分，在一定程度上反而增强了试件抵御其他外力的能力，间接增强了试件的力学强度。

2）坝体与衔接部分的结界处内部是受孔隙水压力最严重的部分，坝体最终出现失稳破坏，是由于结界处内部最先开始发生变形破坏，随着变形破坏逐渐向表面扩展延伸，最终造成溃坝突水的后果。

3）在连接煤柱坝体和人工坝体的作业中，一方面应择优选择衔接材料，另一方面更应注意衔接内部中心部位的作业过程，应减少衔接处内部的孔隙裂缝，防止孔隙水造成大破坏，这是保证坝体安全稳定作业至关重要的因素，也为地下水库坝体优化设计提供重要依据。