煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體抗震性能分析

池明波,李 鵬,曹志國(guó),武 洋,張 勇,李海祥,吳寶楊,3

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100011;2.北京低碳清潔能源研究院,北京 100011;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100011;4.國(guó)能神東煤炭技術(shù)研究院,陜西 榆林 719000)

西部礦區(qū)水資源短缺問題已成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)話題[1],為解決煤炭開發(fā)與水資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾,前人開展了大量的理論研究與工程實(shí)踐,其中顧大釗院士提出的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)使神東礦區(qū)礦井水使用率提升至83%以上,有效地解決了礦區(qū)生產(chǎn)、生態(tài)和生活用水問題[2-4]。然而,煤礦地下水庫(kù)技術(shù)是一種新型地下水工結(jié)構(gòu),其工程安全問題是保障煤礦地下水庫(kù)安全運(yùn)行的核心。煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵是利用人工壩體將區(qū)段煤柱進(jìn)行連接形成水庫(kù)擋水壩體[3-4],所以人工壩體是整個(gè)水庫(kù)安全的關(guān)鍵因素之一,研究人工壩體全生命周期內(nèi)穩(wěn)定性是保障煤礦地下水庫(kù)執(zhí)行“導(dǎo)儲(chǔ)用”技術(shù)的核心內(nèi)容。

煤礦地下水庫(kù)在運(yùn)行過程中始終處于動(dòng)載作用環(huán)境中,包括臨近工作面采動(dòng)作用、采空區(qū)頂板垮落作用、礦區(qū)煤炭開采引起的礦震作用、區(qū)域地震引起的地震震動(dòng)作用[2,5],這些動(dòng)載作用時(shí)刻威脅著煤礦地下水庫(kù)人工壩體的安全穩(wěn)定,有必要對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究,為煤礦地下水庫(kù)工程安全提供依據(jù)。針對(duì)煤礦地下水庫(kù)抗震性能問題,前人分析了煤礦地下水庫(kù)煤柱壩體在動(dòng)載作用下變化特征,得到了煤柱壩體在動(dòng)載作用下抗震性能,基于相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析等方法詳細(xì)分析了水平煤層采空區(qū)地下水庫(kù)整體抗震性能,得到了上下煤層間抗震最優(yōu)距離,提出了人工壩體在地震作用下穩(wěn)定性變化特征[2,4,6-8];此外,眾多學(xué)者針對(duì)地表水庫(kù)在地震作用下安全穩(wěn)定問題開展了大量研究,分析了地表水庫(kù)地震影響下壩體變化規(guī)律[9-12],研究了儲(chǔ)水、抽水過程中壩體應(yīng)力與位移響應(yīng)特征[13-17],還有學(xué)者針對(duì)相似模擬振動(dòng)臺(tái)試件與臺(tái)面相互作用的力反饋補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行了深入探討[18-21];在地下工程范疇,前人采用物理模擬和數(shù)值仿真等手段[22-26],針對(duì)不同工程抗震安全問題開展了相關(guān)研究,例如分析了邊坡、隧道、土石擋墻、混凝土管廊、水塔結(jié)構(gòu)體等在地震作用下響應(yīng)特征[27-31]。以上研究成果為煤礦地下水庫(kù)人工壩體結(jié)構(gòu)抗震性能分析奠定了基礎(chǔ)。

煤礦地下水庫(kù)人工壩體抗震性能研究是維系水庫(kù)全生命周期內(nèi)安全穩(wěn)定的核心,也是為現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)。為此,筆者以大柳塔煤礦2-2煤層煤礦地下水庫(kù)為研究背景,基于振動(dòng)臺(tái)相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真和理論分析,研究不同強(qiáng)度地震作用下煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體抗震性能,為煤礦地下水庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

1 平板型人工壩體動(dòng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 工程背景及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本次相似模擬實(shí)驗(yàn)以神東礦區(qū)大柳塔煤礦2-2煤層煤礦地下水庫(kù)為工程背景,利用煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的“煤礦地下水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)”(圖1)開展實(shí)驗(yàn)研究,該平臺(tái)主要用于分析礦震或地震作用下壩體的安全性與穩(wěn)定性,由振動(dòng)臺(tái)面、作動(dòng)器、液壓油源動(dòng)力系統(tǒng)、控制器等組成。振動(dòng)臺(tái)面尺寸2 m×2 m,振動(dòng)方向XY二向自由度,最大加速度1.5 m/s2,最大頻率50 Hz,平臺(tái)主要模擬煤礦地下水庫(kù)人工壩體、煤柱壩體和2者結(jié)合部位處的不同工況條件,分析不同煤層厚度、傾角、煤體和圍巖條件下壩體的應(yīng)力應(yīng)變情況。本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究平板型人工壩體抗震性能,平板型人工壩體主要由C20混凝土澆筑而成,并嵌入只煤柱壩體內(nèi)部50～80 cm,根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,人工壩體和煤柱壩體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 煤礦地下水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Test platform for dam structure of underground reservoir in coal mine

表1 煤柱及人工壩體力學(xué)參數(shù)

1.2 模型設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)大柳塔煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體實(shí)際情況,本次實(shí)驗(yàn)平板型人工壩體采用模具進(jìn)行提前澆筑,按照1∶10相似比,人工壩體長(zhǎng)×寬×高=50 cm×10 cm×50 cm,頂?shù)装寮懊褐鶋误w掏槽深度5 cm,煤柱壩體寬40 cm,人工壩體鋪設(shè)在煤柱壩體中間,煤柱壩體靠近模型邊界鋪設(shè),在模型另一側(cè)根據(jù)相似比布置碎石(碎石樣品來自大柳塔頂板),模型示意及尺寸如圖2(a)所示。

為監(jiān)測(cè)震動(dòng)過程中平板型人工壩體變化特征,本次實(shí)驗(yàn)采用3種方法對(duì)人工壩體變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析(圖2(b)):① 在人工壩體內(nèi)部布置壓力盒,監(jiān)測(cè)震動(dòng)過程中人工壩體內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律,掌握人工壩體整體穩(wěn)定性,測(cè)點(diǎn)按順序進(jìn)行標(biāo)號(hào);② 在靠近采空區(qū)側(cè)利用位移計(jì),時(shí)刻監(jiān)測(cè)煤柱壩體水平方向位移變化規(guī)律,對(duì)煤礦地下水庫(kù)整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析;③ 利用散斑圖像處理技術(shù)對(duì)平板型人工壩體應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)人工壩體抗震性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖3 EI Centro地震波加速度時(shí)程曲線Fig.3 EI Centro seismic wave acceleration time history curve

本次地震波選取埃而森特羅波(EI Centro)地震波(圖3),試驗(yàn)過程中依據(jù)峰值加速度大小逐級(jí)輸入地震波(1、2、4、8、15 m/s2),各波段持續(xù)時(shí)間為54 s,用以模擬不同強(qiáng)度振動(dòng)作用對(duì)人工壩體影響。輸入過程中,地震波形保持不變,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010),地震抗震設(shè)防烈度與基本地震加速度的關(guān)系見表2。

表2 地震抗震設(shè)防烈度與基本地震加速度的關(guān)系

2 不同地震作用下人工壩體響應(yīng)特征

2.1 應(yīng)力變化特征分析

本次實(shí)驗(yàn)分2階段進(jìn)行:第1階段,對(duì)模型施加1、2、4、8、15 m/s2(2次);第2階段,在模型頂板施加0.2、0.4、0.8、1.0、和1.1 MPa壓力,并在每個(gè)壓力段施加1、2、4、8、15 m/s2的地震波。各階段應(yīng)力變化結(jié)果如圖4～6所示。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置位置(圖2(b)),將人工壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為2種情況:①Z方向上分為壩體底部、壩體腹部、壩體頂部;② 垂直壩體方向上分為壩體正面(巷道側(cè))和壩體反面(采空區(qū)側(cè))。根據(jù)是否施加應(yīng)力,對(duì)各階段應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。從圖中可以看到,未加壓階段與加壓段平板型人工壩體內(nèi)應(yīng)力變化較小,加壓階段應(yīng)力變化成“水瓶”形狀變化,先增加后逐漸降低,震動(dòng)和壓力作用下應(yīng)力有增加現(xiàn)象,在加壓震動(dòng)階段最后階段(15 m/s2地震波循環(huán)7次)應(yīng)力逐漸降低至初始值(0.2 MPa)。

圖4 震動(dòng)全過程中壩體應(yīng)力變化信息Fig.4 Stress change information of dam body in the whole process of vibration

圖5 非加壓震動(dòng)過程中壩體不同水平應(yīng)力變化信息Fig.5 Variation information of dam stress at different levels during pressurized vibration

圖6 加壓震動(dòng)過程中壩體不同水平應(yīng)力變化信息Fig.6 Variation information of dam stress at different levels during pressurized vibration

從圖5可以看到,壩體內(nèi)應(yīng)力隨著地震波強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸增加,壩體應(yīng)力變化規(guī)律為底部>腹部>頂部,在同一地震波范圍內(nèi)底部應(yīng)力峰值約大于頂部50%,頂?shù)撞繎?yīng)力發(fā)生突變的地震波均在0.4 m/s2后,且在地震波增加至1.5 m/s2時(shí),應(yīng)力最大值基本保持在5～7 kPa內(nèi),對(duì)人工壩體基本無較大損傷。根據(jù)壩體正反面監(jiān)測(cè)結(jié)果來看,在震動(dòng)過程中發(fā)生較大應(yīng)力變化的為靠近采空區(qū)一側(cè),且變化最大變化的位置為靠近底部中間位置(4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)),同一地震波范圍內(nèi)應(yīng)力反面峰值大于正面10%左右。發(fā)生以上原因主要有:① 地震波在震動(dòng)過程中壩體底部受到的震動(dòng)作用強(qiáng)于上位位置,隨著距離震動(dòng)面越遠(yuǎn)震動(dòng)強(qiáng)度越小;② 在震動(dòng)過程中采空區(qū)碎石對(duì)人工壩體造成二次沖擊震動(dòng),特別是靠近壩體底部中間位置的碎石在沖擊過程中引起壩體發(fā)生應(yīng)力集中。

為分析在上覆巖層壓力和地震作用下人工壩體穩(wěn)定性特征,在第1階段震動(dòng)結(jié)束后對(duì)模型頂板進(jìn)行加壓,結(jié)果如圖6所示。在頂部應(yīng)力-震動(dòng)雙重作用下,壩體內(nèi)應(yīng)力迅速增加,與非加壓階段變化規(guī)律相同,水庫(kù)側(cè)應(yīng)力>巷道側(cè),且水庫(kù)側(cè)應(yīng)力最大值為巷道側(cè)的3倍左右;不同的是加壓后應(yīng)力變化的主要位置在壩體底部邊界處(1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)),其次為中間邊界和頂部邊界位置。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因?yàn)?由于人工壩體和煤柱壩體強(qiáng)度不同,上覆壓力作用下容易在煤柱壩體與人工壩體連接處發(fā)生應(yīng)力集中,地震波震動(dòng)過程中對(duì)壩體又受到疊加動(dòng)載作用,引起連接處應(yīng)力疊加,最終導(dǎo)致煤柱壩體和人工壩體連接處應(yīng)力較其他測(cè)點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力高。

2.2 應(yīng)變變化特征分析

基于散斑監(jiān)測(cè),對(duì)震動(dòng)過程中壩體應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)一步分析人工壩體抗震性能。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看,在整個(gè)震動(dòng)過程中,人工壩體表面未發(fā)生較大的應(yīng)變,始終處于彈性工作狀態(tài);當(dāng)?shù)卣鸩◤?qiáng)度增加至15 m/s2時(shí),經(jīng)過2次震動(dòng)后在煤柱壩體底角處發(fā)生較大的應(yīng)變(圖7),直接引起煤柱壩體底部產(chǎn)生裂紋,但人工壩體未發(fā)生塑性變化。

在頂部加載和地震作用下,人工壩體在整個(gè)循環(huán)加載和震動(dòng)作用下始終處于穩(wěn)定狀態(tài),而煤柱壩體首先在底邊處發(fā)生損傷破壞,隨著壓力的增加破壞逐漸向頂板發(fā)展,最終導(dǎo)致煤柱壩體應(yīng)變變形嚴(yán)重,使整個(gè)壩體穩(wěn)定性減弱(圖8)。

圖7 非加壓階段人工壩體表面應(yīng)變變化情況Fig.7 Variation of surface strain of artificial dam in non pressurized stage

圖8 加壓階段人工壩體表面應(yīng)變變化情況Fig.8 Variation of surface strain of artificial dam in pressurization stage

從以上研究結(jié)果可以看出煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體可以抵抗約10烈度的地震作用,在地震反復(fù)加載作用下仍然能保持完整性,頂板壓力對(duì)人工壩體的破壞作用有限。

2.3 位移變化規(guī)律分析

震動(dòng)過程中位移變化是表征人工壩體穩(wěn)定性的重要顯性指標(biāo),從采空區(qū)布置的位移計(jì)和散斑監(jiān)測(cè)位移結(jié)果綜合分析平板型人工壩體抗震性能。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程對(duì)人工壩體影響甚微,在垂直壩體方向位移最大僅為0.19 mm(圖9),證明在震動(dòng)過程中人工壩體與煤柱壩體之間未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或破壞。

圖9 壩體反面移變化曲線(位移計(jì))Fig.9 Change curve of dam reverse displacement (displacement meter)

基于散斑監(jiān)測(cè)技術(shù),在壩體正面選取9個(gè)典型位置點(diǎn)進(jìn)行位移變化分析,監(jiān)測(cè)點(diǎn)及結(jié)果如圖10所示,測(cè)點(diǎn)0、2、3、4分別在煤柱壩體腹部,測(cè)點(diǎn)1、5、6、7、8分別在人工壩體腹部和四角處。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行差值、去噪后(圖10(b)中紅線)得到壩體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化結(jié)果。

由圖10可知,煤礦地下水庫(kù)壩體在地震過程中位移隨地震波起伏狀態(tài)而增減,最大位移出現(xiàn)在人工壩體底部,其次為人工壩體腹部,最大位移為78 mm,經(jīng)去噪差值后最大位移為65 mm,煤柱壩體最大位移為60 mm,峰值相差約5 mm,在此基礎(chǔ)上對(duì)各測(cè)點(diǎn)平均值進(jìn)行計(jì)算,其中最大值為最小值的1.34倍,人工壩體速度為煤柱壩體的1.14倍,在2者位移差值影響下,人工壩體對(duì)煤柱壩體連接處造成沖擊影響。

通過以上分析可知,地震作用下煤柱和人工壩體均發(fā)生一定位移變化,但不影響水庫(kù)壩體整體穩(wěn)定性,由于壩體巷道側(cè)為自由面,產(chǎn)生的位移大于水庫(kù)側(cè);但采空區(qū)側(cè)由于碎石沖擊、堆積擠壓等作用下,其應(yīng)力大于巷道側(cè),同時(shí)也是造成巷道側(cè)位移較大的原因之一。綜上可知,人工壩體雖然存在位移增減現(xiàn)象,但整體穩(wěn)定性未受到破壞,始終處于完整狀態(tài),可以抵抗15 m/s2(10烈度以上地震)震動(dòng)。

3 煤礦地下水庫(kù)整體抗震性能分析

壩體安全是煤礦地下水庫(kù)的核心,與地表水庫(kù)不同的是,其由煤柱和混凝土2種材料“拼接”而成,所以分析煤礦地下水庫(kù)人工壩體的抗震性能還要兼顧煤柱壩體的穩(wěn)定性變化特征。為此,對(duì)比分析2種材質(zhì)所組成壩體的抗震性能,為煤礦地下水庫(kù)安全穩(wěn)定提供基礎(chǔ)。

根據(jù)第2節(jié)分析結(jié)果,在上部無壓力震動(dòng)時(shí)地下水庫(kù)整體未受到影響,但在加壓過程中煤柱壩體逐漸發(fā)生垮落,破壞初始點(diǎn)位于煤柱壩體底部;壩體表面裂隙由底部逐漸向頂部擴(kuò)展、貫通,最終產(chǎn)生大面積垮塌。隨著壓力的不斷增加和震動(dòng)的循環(huán)加載作用,破壞程度和垮落面積逐漸增加,如圖11所示。在震動(dòng)和頂部壓力作用下,破壞位置逐漸發(fā)育至人工壩體邊界處(圖11(e)),在壓力增加至1.1 MPa并循環(huán)施加15 m/s2地震波后,煤柱壩體由底至頂呈“楔形”垮塌破壞(圖11(f)～(i)),此時(shí)煤礦地下水庫(kù)整體穩(wěn)定受到影響,水庫(kù)可能會(huì)有滲水甚至涌水危險(xiǎn)。

為進(jìn)一步分析煤礦地下水庫(kù)壩體抗震性能,針對(duì)大柳塔煤礦地下水庫(kù)情況,基于有限元計(jì)算理論和方法,構(gòu)建三維數(shù)值仿真模型,分析地震過程中壩體各參量變化規(guī)律,模型尺寸:X×Y×Z=726 m×400 m×320 m,人工壩體按照大柳塔2-2煤層地下水庫(kù)實(shí)際情況進(jìn)行布置,人工壩體厚1 m,長(zhǎng)×高=5 m×5 m,頂?shù)装寮皟蓭颓度肷疃葹?.5 m。模擬順序?yàn)槭紫乳_挖巷道,然后開采2-2煤層工作面,工作面開采結(jié)束后開挖聯(lián)絡(luò)巷并布置人工壩體,在計(jì)算過程中在人工壩體、煤柱壩體及連接處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地震作用下位移、應(yīng)力及塑性區(qū)等參數(shù)變化規(guī)律,將人工壩體單元在地震影響下的各參數(shù)變化進(jìn)行提取分析,得到模擬結(jié)果如圖12所示。

模擬結(jié)果顯示,位移和應(yīng)力變化位置主要在人工壩體與煤柱壩體附近。人工壩體發(fā)生應(yīng)力集中和位移較大位置在壩體底部,其次為腹部和頂部。相較于煤柱壩體而言,人工壩體應(yīng)力集中點(diǎn)主要在壩體連接處和底部,與工作面垂直方向上(σx)應(yīng)力主要在壩體腹部,結(jié)合相似模擬結(jié)果(圖13),地震作用下煤礦地下水庫(kù)最易發(fā)生破壞的位置在底部連接處。

人工壩體X、Y、Z三個(gè)位移變化趨勢(shì)為

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可知,X方向(垂直工作面)位移變化最大(圖13),主要原因?yàn)榈卣鸩ㄅcX方向垂直,引起壩體在X方向造成較大的剪切力,引起位移大于其他2個(gè)方向;結(jié)合應(yīng)力變化,煤柱壩體和人工壩體均未發(fā)生塑性變形,整體處于彈性工作狀態(tài),煤礦地下水庫(kù)整體保持完整。

根據(jù)上文相似模擬和數(shù)值分析結(jié)果可知,在地震作用下人工壩體底部最易發(fā)生位移,導(dǎo)致煤柱壩體產(chǎn)生裂隙而發(fā)生破壞,造成水庫(kù)壩體失穩(wěn),其破壞形式有2種:① 人工壩體在巷道側(cè)發(fā)生較大位移,壩體底部向巷道側(cè)“傾倒”,稱為外部移動(dòng)模式;② 人工壩體在水庫(kù)側(cè)發(fā)生較大位移,壩體底部向水庫(kù)側(cè)“傾倒”,稱為內(nèi)部移動(dòng)模式。為進(jìn)一步分析地震作用下人工壩體發(fā)生位移并逐漸產(chǎn)生破壞過程,參照黃睿提出的“考慮位移地震作用土壓力”計(jì)算方法[32],將人工壩體破壞形式簡(jiǎn)化為“外部移動(dòng)”和“內(nèi)部移動(dòng)”2種情況(圖14(a)、15(a)),其力學(xué)模型如圖14(b)和15(b)所示。

圖11 震動(dòng)過程中壩體破壞情況Fig.11 Dam damage during vibration

圖12 煤柱壩體及人工壩體各參量變化特征Fig.12 Variation characteristics of parameters of coal pillar dam and artificial dam

圖13 震動(dòng)過程中壩體位移變化特征Fig.13 Variation characteristics of dam displacement during vibration

圖14 外部移動(dòng)破壞形式模型Fig.14 External movement failure form model

圖15 內(nèi)部移動(dòng)破壞形式模型Fig.15 Internal movement failure form model

基于W-O地震模型計(jì)算方法,在擋土墻水平分層法和擬靜力分析法基礎(chǔ)上,建立煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體地震作用(法向和切向地震慣性力)影響下破壞模型。壩體法向方向力平衡、剪切方向力平衡分別如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

令

(6)

其中,pax為壩體水平反力,N;pz為壩體上部壓力,N;τ1為巷道側(cè)壩體與煤柱連接處摩擦力,N;τ2為水庫(kù)側(cè)壩體與煤柱連接處及碎石間摩擦力,N;r為水庫(kù)側(cè)水體和碎石對(duì)壩體的垂直壓力,N;kn為壩體法向地震慣性力,N;kv為壩體切向地震慣性力,N;H為壩體高度,m;z為單元體埋深,m;V為人工壩體與煤柱摩擦力,N;α為碎石發(fā)生滑移角度,(°);γ為壩體容重,kN/m3;kaw為壩體受到的側(cè)向壓力系數(shù),kaw=σah/σav,σah、σav分別為壩體任意一點(diǎn)水平應(yīng)力和垂直壓力,MPa;φ′為人工壩體與煤柱水平等效摩擦角,(°);θ為壩體碎石摩擦角,(°);φ為碎石內(nèi)摩擦角,(°)。

將式(6)代入式(4)可得

(7)

將式(7)代入式(5)得到地震作用下水庫(kù)側(cè)對(duì)壩體的壓力方程:

(8)

式中,η為滑動(dòng)土楔體的滑裂角。

假定式(8)滿足邊界z=0、dz=0,得到地震作用下人工壩體應(yīng)力強(qiáng)度分布為

(9)

水平方向合力可表示為

(10)

同樣,對(duì)內(nèi)部位移形式下人工壩體進(jìn)行計(jì)算,得到該形式下分布及合力為

(11)

(12)

由式(9)～(12)可知,無論是內(nèi)部移動(dòng)還是外部移動(dòng),壩體內(nèi)應(yīng)力均隨著H的增加應(yīng)力逐漸增大并呈非線性變化趨勢(shì),增長(zhǎng)速率也隨著深度增加逐漸變大,地震作用下,在水庫(kù)壩體底部應(yīng)力最大,是整個(gè)水庫(kù)壩體的應(yīng)力集中區(qū)域。在地震加載作用下人工壩體底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成人工壩體和煤柱壩體連接處發(fā)生剪切破壞,人工壩體底部產(chǎn)生較大位移,發(fā)生內(nèi)部或外部移動(dòng)破壞形式,該計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果相一致。

綜上所述,煤礦地下水庫(kù)平板型人工壩體可以抵抗10烈度以上地震,在循環(huán)地震波加載作用下仍保持彈性工作狀態(tài);但在頂部壓力增加情況下會(huì)引起煤柱壩體發(fā)生破壞,壓力越大破壞程度越大。分析原因主要有:① 煤柱壩體和人工壩體材質(zhì)不同,2者在地震過程中產(chǎn)生的加速度不同,引起的震動(dòng)頻率和速度產(chǎn)生差異,會(huì)引起連接處發(fā)生較大應(yīng)力集中;② 人工壩體“鑲嵌”在煤柱壩體內(nèi),在地震作用中限制了其產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng),增加了其抗震性能;③ 當(dāng)頂部應(yīng)力增加后,由于人工壩體強(qiáng)度高于煤柱壩體和底板,在人工壩體底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,引起煤柱壩體產(chǎn)生塑性破壞,裂隙發(fā)育、整體性破壞,在地震波加載過程中易產(chǎn)生拉伸、剪切破壞;④ 在上部加載作用下,水庫(kù)壩體產(chǎn)生變形程度不同,煤柱壩體產(chǎn)生不均勻壓縮變形,在壩體連接處頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中,在地震作用下發(fā)生破壞,降低了水庫(kù)壩體整體抗震性能。

4 結(jié) 論

(1)大柳塔2-2煤層煤礦地下水庫(kù)在循環(huán)加載地震作用下始終處于彈性工作狀態(tài),可以抵抗大于10烈度的地震作用。

(2)在地震和頂部外部載荷綜合作用下,人工壩體底部為應(yīng)力集中區(qū),在采空區(qū)碎石沖擊和擠壓等作用下,引起采空區(qū)側(cè)(反面)應(yīng)力大于巷道側(cè)(正面),差值約10%,垂向上應(yīng)力變化最大位置為底部,最小為頂部。

(3)由于人工壩體和煤柱壩體材質(zhì)的不同,引起地震過程中產(chǎn)生的加速度不同,同一地震波作用下人工壩體位移峰值大于煤柱壩體5 mm,人工壩體位移大于煤柱壩體1.14倍,在速度差值影響下引起煤柱壩體和人工壩體連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為水庫(kù)壩體地震中薄弱位置。

(4)在未受到上部增壓情況下,煤柱壩體抗震性能較好,但在壓力作用下,由于人工壩體“支撐”作用,煤柱壩體產(chǎn)生不均勻壓縮變形,在煤柱壩體表面產(chǎn)生裂隙,裂隙逐漸貫通后發(fā)生破壞,破壞了水庫(kù)壩體整體穩(wěn)定性,影響煤礦地下水庫(kù)工程安全。