煤矿地下水库煤柱坝体失稳机理及前兆信息

煤矿地下水库是解决西部矿区水资源保护利用的关键技术之一,维持水库安全运行的基础是工程安全,而水库坝体是保证工程安全的核心。针对煤矿地下水库煤柱坝体安全稳定问题,从煤柱坝体受到的顶板岩层压力(垂向应力)、储水高度(水平应力)角度出发,基于力学模型、相似模拟和数值计算等方法,综合分析煤柱坝体破坏时应力变化(垂直应力和水平应力)、裂隙发育及扩展情况、位移变化等多参量变化规律,研究煤柱坝体破坏时各参数变化特征,提出煤柱坝体破坏前兆关键信息,为现场煤矿地下水库安全运行监测预警提供基础。研究结果表明:煤柱坝体在垂直应力作用下,上覆岩层应力造成煤柱坝体破坏的位置首先为煤矿地下水库侧的坝体顶板处,煤柱尺寸越小越容易产生应力集中,承载的应力越大发生破坏的可能性越大,基于此得到了煤柱坝体破坏临界点;水平应力作用下,煤柱坝体共经历弹性阶段、初始破坏阶段和破坏增加等3个阶段,煤柱坝体在达到极限强度后才显现较明显的位移,煤柱坝体受到损伤,在水平应力降低后位移有回弹趋势,但煤柱坝体不适宜再继续储水;分析了引起煤柱坝体发生失稳的主要因素,垂直应力和水平应力共同作用下,煤柱坝体发生失稳的部位主要在临库侧小尺寸坝体顶板、底板及中间位置,以上湾矿为例,得到了15 m煤柱坝体能承载最大水头高度为50 m,但此时煤柱坝体已经发生破坏,即使降低水位煤柱坝体整体稳定性也受到不可恢复性破坏;综合研究煤矿地下水库煤柱坝体发生失稳的特点和规律,结合位移变化及煤柱坝体物理力学性质,得到了煤柱坝体破坏前兆信息,即在外力作用下达到极限强度前应对水库进行安全处理措施,建议在现场监测预警时重点监测水库侧尺寸较小的煤柱顶板应力变化信息,保障煤矿地下水库安全运行。