【《煤矿地下水库人工坝体数值模拟分析案例》7500字】

煤矿地下水库人工坝体数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19246煤矿地下水库人工坝体数值模拟分析案例 152391.1FLAC3D简介 1145161.2数值模拟方案 245151.3数值模型的建立 292351.4支护构件及测点布置 426801.5计算结果及分析 4240281.5.1应力分析 5289021.5.2塑性区分析 14279911.5.3位移分析 18327091.6稳定系数 271.1FLAC3D简介三维快速拉格朗日法是以三维显示有限差分法为基础的数值分析方法，国外一家咨询公司以此原理进一步升级开发出了FLAC3D。该程序经过多年流通，已成为国际岩土工程专业最权威的实际应用的软件，它的数字处理能力好厉害和仿真模拟能力太广泛，能够将达到强度屈服或屈服极限时岩土体或者其他材料的力学特性和破坏特征通过图形表示出来，关于缓慢渐进式破坏导致结构失稳和大变形模拟的研究中具有强大的处理能力。软件具有丰富的岩土体和支护体系本构模型和结构单元，世界上的材料基本可总结为弹塑性材料，关于这些材料的本构模型该软件开发出了十一种，拥有不同应力条件下和蠕变、渗流等复杂计算模式，模式块和模式块可以单独运算，也可互相耦合共同计算，对各种复杂的岩土体力学问题可以做到仿真模拟。岩土工程的研究领域范围在数值模拟技术的拓展下，从小到大，由浅入深，由单一变量到多维的复杂变量。在研究岩土体内部的变形破坏机理层次带来了技术革新。FLAC3D软件的出现，让复杂地形下的现场勘察成为了可能，让岩土工程研究工作者走上了一条光明的科研大道。因为它与实际工程应用结合能力十分强大，可满足边坡稳定评价、支护设计评价、坝体稳定评价等诸多领域，在国内得到了迅速发展，在研究者的研究发展进程中成为了不可或缺的强大因素。该软件的优势在于：（1）界面简洁明了；（2）应用范围广泛：①可引入使用的计算模型达11种；②适用的计算模式达5种；③可模拟多种结构形式，边界条件。（3）FLAC3D使用的计算机语言是FISH，能力强，适用范围广，用户可自由定义，有很好的普适性。（4）后续处理能力特别厉害。1.2数值模拟方案本文选取上湾煤矿2-2号煤层开采面地下水库人工坝体为研究对象，旨在研究板式坝体在不同水压力作用下的稳定性情况，而坝体是否稳定主要体现在应力、位移、塑性区分布这三方面。因此，本文应用数值模拟软件FLAC3D建立三维模拟模型，通过改变储水水位，运用单一变量原则，制定多个试验方案，从坝体及掏槽应力、位移、塑性区分布等情况研究地下水库人工坝体的稳定性，并结合工程现状探讨现存水库坝体的稳定系数。1.3数值模型的建立由于FLAC3D软件计算时间较长，考虑到计算精度跟边界条件的影响，将2-2煤层工作面巷道尺寸设定为20×16×12m（宽度×高度×进深）。网格图按煤层岩性分布划分，即各分层围岩应力不同。为了更好的展现坝体的动力响应，在坝体周围设置加密区，便于对坝体周边应力的分析。采用M-C模型，由上至下分别为石英细粒砂岩、2-2煤、泥岩、粉砂岩。模型共96000个单位，113651个节点，如图所示。模型底面中心位置是坐标原点，x轴东西贯通，正方向为水平向右，y轴沿巷道南北贯通，正方向是是进深方向，z轴与坝体中心相切，正方向为竖直向上。图1.1FLAC3D三维立体模型巷道在整个模型单元体的最中心区域，呈矩形，尺寸为5.0×4.0m。坝体形式为版式，坝体与顶板交界处采用应力边界条件，与底板交界处采用固定边界条件，测压系数取为1.0。坝体为混凝土材质，透水性小，设置为不透水模型，其余部分为自由透水边界。忽略地下水流动摩擦、降水水压变化带来的水压扰动，水库内水面视为理想静止状态。表1.1岩层参数表岩层岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa粘聚力/MPa内摩擦角/°抗拉强度/MPa抗压强度/MPa天然容重/KN/m31细粒砂1.382.975.9331.4328.9241022-2煤2.20.90.8280.511.813203泥岩1.161.451.9401.1526.324304粉砂岩5.994.875.2341.2436.92450图1.2巷道掘进图1.4支护构件及测点布置本文运用cable结构单元模拟支护构件，该模型采用锚杆支护，每次掘进2m；一次掘进一次支护，提前施加预应力。支护模拟构件如下图：图1.3支护正面图图1.4支护侧面图由于坝体在不同水位下受力点不同，相应的位移、塑性区分布也不同，为了更好地观察不同位置的力学特性变化和受力情况，研究坝体的稳定性，在坝体及两侧安全煤柱上选取一些测试点，测点位置如下：图1.5测点布置图1.5计算结果及分析人工坝体作为地下水库坝体的薄弱环节，其稳定性主要体现在三个方面：应力、位移、塑性区分布。为了研究坝体的稳定性，我们采取控制变量法进行探讨。在影响坝体稳定性的因素中最为关键、最为直接的一点就是坝体自身强度，对坝体强度影响最大的就是水库的储水量。所以研究坝体稳定性就要从分析坝体的极限水位出发，通过对上述不同测点的模拟分析，研究各测点在不同水位下应力、位移、塑性区变化情况，如下所述。1.5.1应力分析为了保证试验结果的准确可靠，我们按工程实际尺寸进行百分百还原建立模拟模型。通过设置不同水库储水水位，分析各水位下坝体的应力分布情况及其随水位增加的变化情况，研究不同水压下坝体的稳定性。根据上湾水库人工坝体尺寸，坝体厚度为1.5m，混凝土材料强度为C30，顶底板掏槽深度均为0.5m，坝体两侧向煤柱掏槽也为0.5m，设置水位高度分别为1m、4m、6m、8m、10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m。分析坝体在不同水压力条件下所受应力的分布情况，通过图形比对我们可以发现坝体的应力分布情况随水位的变化呈现一定的规律性。如下所示：（a）剪应力（b）主应力图1.620m水位时剪应力和主应力云图地下水库人工坝体处于煤层下方受力情况复杂，各种应力在大小上也有明显的差别，应力的大小决定了其对坝体稳定性影响的大小，首先判断坝体主要受力情况。图1.6是坝体在20m储水水位时的最小应力云图。（a）图表示在20m水位条件下坝体所受最小剪切应力分布图，由图可知，坝体所受剪应力主要分布在坝体四个角点处。（b）图表示在20m水位条件下坝体所受最小主应力分布图，由图可知主应力主要分布在坝体中心区域。经两图对比可知坝体中心区域以水压方向受力为主，因此，本文研究坝体稳定性不考虑剪切应力的影响。(a)迎水面(b)背水面图1.728m水位时Y向最小主应力云图(a)迎水面(b)背水面图1.828m水位时X向最小主应力云图(a)迎水面(b)背水面图1.928m水位时Z向最小主应力云图图1.7表示在储水水位为28m时，坝体Y向应力分布云图，迎水面应力在坝体四周边缘出现应力集中，顶板掏槽处大于帮槽应力；背水面应力分布有别于迎水面，应力集中主要在于坝体中心一矩形区域边缘，最大应力出现在坝体四角处。图1.8和1.9分别表示在储水水位为28m时，坝体X向和Z向应力分布云图，坝体迎水面应力分布，X向应力集中分布坝体上方掏槽和两侧帮槽处，Z向集中分布在坝体上下两侧掏槽处，背水面应力分布情况均与Y向应力分布相似。图1.10为水库水位为20m时坝体所受最小主应力分布，由图可知，应力最小值在坝体中心区域，以坝体中心向四周逐渐增大，最大值点位于坝体四个角点，且在掏槽处应力峰值集中出现。背水面中央部位出现近似矩形的应力峰值集中分部区。（a)迎水面（b）背水面图1.1028m水位时最小应力云图根据所发现应力分布规律，进一步研究水压力对人工坝体稳定性的影响。通过上网搜索材料力学各项性能指标相关国家规范，可知C30混凝土轴心抗压强度设计值为14.3N/mm2(MPa),轴心抗拉强度设计值为1.43N/mm2(MPa)。相较于使用最大主应力作为坝体稳定性评判标准，使用最小主应力分析更为安全可靠，在此以最小主应力为判断依据。上图所示，储水水位为28m时，最大压应力强度为1.068MPa，最大拉应力强度为1.334MPa，均小于混凝土的强度极限，为了进一步得到较为精确的极限水位,继续分析不同水位下应力分布情况，具体如下。（a）10m（b）20m图1.11储水水位为10m和20m时最小应力云图（a）30m（b）40m图1.12储水水位为30m和40m时最小应力云图由图1.11和图1.12分别为坝体迎水面在储水水位为10m、20m、30m、40m时的应力分布情况。观察可知，坝体在40m水位高度以内时，顶底板掏槽处集中出现大面积应力峰值区域，两侧帮部掏槽应力值相对较小，且随着水位上升，应力峰值逐渐增大，整体分布情况与前述分析相吻合。水位高度为40m时坝体最大主应力为1.404MPa，最大拉应力为1.088MPa，均小于极限强度值。因此，进一步增大水压力，探索坝体失稳时的水位高度。（a）50m（b）60m图1.13储水水位为50m和60m时最小应力云图（a）70m（b）80m图1.14储水水位为70m和80m时最小应力云图由图1.13和图1.14分别为坝体迎水面在储水水位为50m、60m、70m、80m时的应力分布情况。观察可知，当储水水位超过40m时，帮部掏槽部位应力峰值迅速变大，接近顶底板的应力峰值。但是，坝体整体的应力峰值与之前变化不大，储水水位为50m时，坝体所受最大应力值为1.408MPa，较40m水位应力值仅增加2.8‰，在看图1.14中，储水水位为80m时，坝体所受最大主应力值为1.414MPa，压应力值为1.262MPa，均未达到坝体材料的极限强度值。考虑到上湾煤矿2-2号煤层埋深在60-70m,因此，坝体处于安全稳定状态。然而在设置坝体时，需要通过掏槽将坝体与煤柱、顶底板岩层结合为有机整体，因此，各掏槽处的稳定情况直接影响坝体是否稳定可靠。本文选取不同水位下掏槽部位的应力分布情况进行分析，研究掏槽处应力对坝体稳定性的影响规律。根据规范可知，煤柱坝体抗拉强度为0.5MPa，顶板岩层抗拉强度为1.43MPa，底板岩层抗拉强度为1.15MPa。图1.15为水库储水水位为28m时，坝体各掏槽处的应力分布云图。由图可知，顶板掏槽所受最大拉应力为1.395MPa，底板掏槽处最大拉应力为1.176MPa，帮部掏槽所受最大拉应力为0.639MPa，顶部掏槽处拉应力未达到抗拉极限值，底部掏槽和帮部掏槽处的最大拉应力大于抗拉极限强度，说明此时坝体掏槽部位稳定性已经开始散失。（a）顶槽（b）底槽（c）帮槽图1.1528m水位时掏槽处应力分布云图由于上述分析得到28m水位时，坝体掏槽部位已经失稳，因此要重新选取更小水位寻找坝体由稳定变为不稳定时的极限水位。经计算，本文在此选取22m、23m作为研究水位，进行分析。如下所示。（a）22m（b）23m图1.1622m、23m水位时帮部掏槽应力分布图（a）22m（b）23m图1.1722m、23m水位时顶板掏槽应力分布图（a）22m（b）23m图1.1822m、23m水位时底板掏槽应力分布图图1.16-1.18为水位高度22m和23m时坝体各掏槽部位的应力分布情况。从图中可以看出，当水位高度为22m时，坝体四周掏槽应力分布情况为：帮部掏槽最大拉应力为0.498MPa、顶部掏槽最大拉应力为1.396MPa、底部掏槽最大拉应力为0.897MPa，煤柱坝体、顶底板岩体处的拉应力均未达到极限抗拉强度。当水位高度为23m时，坝体四周掏槽应力分布情况为：帮部掏槽最大拉应力为0.519MPa、顶部掏槽最大拉应力为1.396MPa、底部掏槽最大拉应力为0.947MPa，此时，顶底板岩层拉应力值未达到极限抗拉强度，但是煤柱坝体所受最大拉应力超过其极限抗拉强度。根据最小应力分析，22m水位时煤柱坝体处于稳定状态，当水位达到23m时，煤柱坝体所受最大拉应力超过强度极限。得出上湾煤矿2-2号煤地下水库极限储水水位为22m。人工坝体的安全稳定受多种因素综合作用，不仅要满足自身的强度极限，还要考虑水文地质条件、上下岩层及安全煤柱的的强度极限。总结上述分析，实际工程条件下人工坝体材料强度满足水压力强度要求，坝体帮部掏槽强度较低，为保证坝体结构的稳定，安全储水水位极限值设为22m。因此，按照最小应力分析方法，当储水水位不超过22m时，2-2号煤层地下水库人工坝体处与稳定状态。1.5.2塑性区分析在水库储水条件下，坝体受水压力产生变形，当变形在弹性变形范围内坝体处与稳定状态，但当变形超出弹性变形范围就会对坝体稳定性产生影响，当坝体出现较大面积的塑性区时，坝体就不具有足够的安全度，甚至丧失稳定性。因此，本文从塑性区分布角度对坝体的稳定性进行研究。不同水位下的塑性区分布如下图。（a）迎水面（b）背水面图1.1920m水位时塑性区分布云图（a）迎水面（b）背水面图1.2030m水位时塑性区分布云图图1.19和图1.20分别为水位高度20m和30m时坝体塑性区分布情况。由图可知，当储水水位为20m时，坝体还未出现塑性区，说明此时坝体相对稳定。当储水水位增加为30m时，坝体迎水面开始出现塑性区，但是面积较小，主要集中分布在顶底板掏槽部位，这说明掏槽的设置在一定程度上加速了坝体的塑性破坏，此时坝体背水面还未出现塑性区。（a）迎水面（b）背水面图1.2150m水位时塑性区分布云图（a）迎水面（b）背水面图1.2260m水位时塑性区分布图图1.21和图1.22分别为水位高度50m、60m时坝体的塑性区分布情况。从图中发现当水位上升至50m时，霸体迎水面的塑性区主要还是在顶底板处，面积增大，宽约0.5m，背水面塑性区塑性区首先出现在坝体中央，呈矩形分布，面积将近坝体面积的三分之一，坝体已经开始丧失稳定性。当储水水位继续上升至为60m时，迎水面的塑性区分布于坝体四周掏槽部位，帮部掏槽开始出现塑性区，且宽度近0.5m，背水面且面积接近坝体总面积的40%，出现较大的受拉破坏区，说明此时坝体的稳定性极低。类似于上述应力分析，坝体掏槽作为一个整体，坝体稳定性必定受掏槽部位影响，在此进一步分析掏槽部位塑性区分布情况。如下所示。（a）20m帮槽（b）30m帮槽图1.2320m和30m水位时帮槽塑性区分布图（a）顶槽（b）底槽图1.2430m水位时顶底板掏槽塑性区分布图图1.23是储水水位为20m和30m时帮槽塑性区分布图，从图中可知水位变化对帮槽塑性区分布影响较小，塑性区分布区域稳定，且塑性变形较小，掏槽部位相对安全不会产生较大变形，对坝体稳定性影响不明显。图1.24是储水水位为30m时顶底板掏槽部位塑性分布情况，此时塑性变形区域很少，主要分布在掏槽中央三分之一区域，塑性变形相对于帮槽可忽略不计。总体来说，掏槽部位塑性区分布面积较小，坝体稳定性主要受自身范围内塑性区的分布影响。当水位小于20m时，坝体不存在塑性区，无需考虑塑性变形对坝体稳定性的影响。水位为30m时，虽然坝体顶底板处出现塑性区分布，但面积小，对人工坝体的稳定性影响较小，不会影响人工坝体的正常使用，当水位超过30m时，坝体上塑性区分布面积较大，已经影响到坝体整体的稳定性，当水位上升至60m，坝体已经塑性破坏，稳定性丧失，不能继续作为支护结构正常使用。1.5.3位移分析坝体在水压力作用下会产生各向位移，当位移数值较大，对坝体稳定性产生较大影响。通过分析不同水位下坝体的位移情况，可以清晰直观的反应坝体的稳定情况。首先对各轴向方向同水位下坝体应变进行分析。（a）10m（b)20m（c）70m（d)80m图1.25不同水位时X向位移云图（a）10m（b)20m（c）70m（d)80m图1.26不同水位时Z向位移云图图1.25为不同水位下X向位移分布情况。由图可知，坝体X向最大位移在距离坝体两侧四分之一处，且向四周扩散递减，以坝体中轴线为对称轴成轴对称分布。图1.26为不同水位下Z向位移分布情况。由图可知，坝体Z向最大位移在距离坝体上下边界四分之一处，与X向分布情况类似，关于坝体上下中心轴线对称分布，但是在水位为70m时，坝体顶板处出现最大位移。但是X向和Z向位移都不是很大，且随水压力增加变化不是很明显，对坝体稳定性影响不大。（a)1m(b)4m图1.271m和4mY向位移云图图1.27两图分别为水位高度1m、4m时Y向位移云图，经过对比发现，在水位高度小于坝体自身尺寸时，坝体所受水压力出现在水位线以下区域，且最大位移位于被淹没区域中心部位，水位线以上坝体区域出现反向位移区，正向位移与反向位移呈对称分布，坝体中央部位出现应力中和区。当水位高度足以淹没整个坝体，正向位移去向上方蔓延逐渐占据整个坝体，反向位移区逐渐消失，但是在坝体四个角点处任然存在反向位移区。图1.28为10m、20m水位下坝体Y向位移分布区，从图中发现在10m水位之后位移分布逐渐趋于稳定，中心点处位移最大，向坝体四周呈环状分布，位移逐渐减小，位移最小点位于坝体边缘掏槽部位四个角点处，与环状分布带相切。整个应力分布区以坝体中心为核心呈中心对称分布。（a）10m（b）20m图1.2810m和20m水位时坝体Y向位移分布区图1.29分别为水位高度40m、50m、60m、70m时Y向位移云图，从图中发现当储水水位达到40m时，顶底板掏槽部位位移未发生明显改变，大位移区域近似于矩形分布，主要位于坝体未掏槽部位，说明掏槽在影响坝体位移分布区方面起良性作用，且随着储水水位增高，效果越明显，因此设置掏槽有利于维持坝体的安全稳定。(a)40m(b)50m(a)60m(b)70m图1.2940m、50m、60m、70m水位时坝体Y向位移分布云图图1.30是测点48（坝体中心）在不同水位下位移变化情况，从图中可以观察到，在储水水位小于30m时，坝体中心位移即最大位移与水位高度变化呈线性正相关，说明此时坝体处于线弹性变形阶段，符合胡克定律，此时坝体尚处于稳定状态。当储水水位超过30m时，坝体最大位移即最大应变急剧增长，与储水水位近似抛物线关系。说明此刻坝体变形已由之前的弹性变形转变为塑性变形，不在遵循胡克定律，坝体已经失稳破坏。图1.30储水水位与坝体中心位移关系图上图研究了同一测点在不同水位下的位移变化规律，那么在同一水位下坝体不同测点的位移规律又是什么呢。本文选取坝体竖直轴线上及水平轴线上测点40、42、43、45作为研究对象。图1.31和图1.32分别测点40、45、42、43不同水位下位移变化，经过比对发现，在储水水位小于30m时，测点40、45、42、43的位移变化规律基本相同。当储水水位超过30m时，测点42、43的位移量大体相当，但是测点40的位移量明显要小于测点45的位移量，储水水位为80m时二者相差4%左右，因此坝体最大位移处不在坝体中心，而在坝体中心偏上区域。图1.31测点40和测点45位移随水位变化关系图图1.32测点42和测点43位移随水位变化关系图类似于应力分析，坝体由掏槽部位与煤柱、顶底板岩层组成有机整体，巷道掏槽对于坝体的