一种地下水库坝体失效的多因素评价方法

本发明涉及煤炭开采和水利工程，具体涉及一种地下水库坝体失效的多因素评价方法。

背景技术：

1、随着现代煤矿地下水库建设的必须性逐日增长，由此带来的坝体失效评估的必要性也日渐上升，因此对于现有煤矿地下水库煤柱坝体以及人工坝体失效评定以及防治措施的改进，设计一种地下水库坝体失效的多因素评价方法以改变上述技术缺陷，提高整体煤矿地下水库坝体的实用性和安全性，显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地下水库坝体失效的多因素评价方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种地下水库坝体失效的多因素评价方法，其特征在于：

4、步骤一：从地下水库煤柱坝体与人工坝体处分别获取煤样与混凝土样，并制成相应标准试件。

5、步骤二：考虑实际工程环境中坝体失效的多因素确定。

6、步骤三：对标准试件进行物理力学试验，获取试件的强度、刚度、稳定性、裂隙、渗流、蠕变与疲劳等物理力学性质。

7、步骤四：依据相似模拟实验与数值模拟实验确定重点监测区域，合理布置传感器监测点。

8、步骤五：确定室内与现场各影响因素监测的权重，进行失效性定性和定量综合评估。

9、作为本发明优选的方案，所述步骤一中从地下水库煤柱坝体与人工坝体处分别获取煤样与混凝土样，并制成相应标准试件。

10、作为本发明优选的方案，所述步骤二中考虑实际工程环境中坝体失效的多因素确定，对实际工程中地下水库煤柱坝体与人工坝体失效进行多方位多因素考虑，最终确定七项因素与坝体失效有关，分别为强度、刚度、稳定性、裂隙、渗流、蠕变与疲劳。

11、作为本发明优选的方案，所述步骤三中，对标准试件进行物理力学试验，获取试件的强度、刚度、稳定性、裂隙、渗流、蠕变与疲劳等物理力学性质，其中实验包括单轴压缩实验、三轴压缩实验、巴西劈裂实验、单轴拉伸试验、渗流实验，饱水压缩实验以及核磁共振实验，获取基本力学参数包括单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、饱水抗压强度内聚力与内摩擦角。

12、作为本发明优选的方案，所述步骤四中，根据步骤三所测各项数值进行数值模拟实验，导入软件中模拟煤矿地下水库正常开采情况，通过数值模拟实验，确定易失效的坝体水平线作为相似模拟重点监测区域。在实验室环境下对煤矿地下水库坝体进行等比例相似模拟实验，对相似模拟坝体进行测试，通过布置传感器监测坝体易失效水平线，筛选出各水平面最易失效点，以该点为中心，划分20m*20m网格，定义该网格为重点监测区域。其中传感器布置点为各网格格点处。

13、作为本发明优选的方案，所述步骤四中，通过对现场采集的应力应变数据和流量数据与室内试验数据进行分析，获取煤柱坝体与人工坝体的强度与裂隙连通率。

14、作为本发明优选的方案，所述步骤五中，各因素系数确定过程为：

15、①强度：将安全系数设置为15％，δa记作此时实验室所测坝体强度，δb记做坝体设计强度，当(1-15％)δa＜δb即0.85δa＜δb时，此时坝体处于危险状态，需要对坝体采取相应加固措施。当0.85δa＝δb时，记强度系数为0，当0.85δa＞δb时，强度系数为当时，强度系数记为1。

16、②刚度：其中将标准试件受到水压侵蚀造成破坏时的刚度系数记做0，将标准试件初始状态的刚度系数记做1，对坝体刚度系数进行归一化处理，当刚度系数小于0.3时，坝体处于危险状态，需要对坝体采取相应加固措施。

17、③稳定性：将地下水库坝体视为两端固定连接杆件，对标准试件进行材料力学分析，对试件进行覆水冲击实验，当试件出现破坏时，记做此时稳定性系数为0，将标准试件初始状态的稳定性系数记做1，对坝体稳定性系数进行归一化处理，当稳定性系数小于0.2时，坝体处于危险状态，需要对坝体采取相应加固措施。

18、④裂隙连通率：通过对标准试件进行ct扫描，获取其内部裂隙特征，通过水压评定坝体破坏程度，记使坝体形成贯通裂隙时的水压为pmax，记坝体初始状态下水压为0，记水压为pmax时坝体裂隙失效率为0，水压为0时坝体裂隙失效率为1，对坝体裂隙失效率进行归一化处理。

19、⑤渗流：通过核磁共振实验分析评估标准试件饱和度，对标准试件覆水，记标准试件失效时的饱和度系数为0，标准试件无水初始状态下的饱和度系数为1，对坝体饱和度系数进行归一化处理。

20、⑥蠕变：对标准试件进行一连串的不同应力水平的单级恒荷载实验，一直到标准试件失效，然后取失效前受荷载时间足够长的荷载最小值定为标准试件的长期强度。记扰动荷载为长期强度时的蠕变系数为0，扰动荷载为0时的蠕变系数为1，对坝体蠕变系数进行归一化处理。

21、⑦疲劳：

22、根据步骤三所测各项数值进行数值模拟实验，测出地下水库坝体在干湿循环与水压循环下从初始状态到失效状态时所经历的干湿循环与水压循环次数，记为极限水压次数l0。再在实验室环境下对现场煤矿地下水库坝体进行等比例相似模拟实验，测出坝体在干湿循环与水压循环下从初始状态到失效状态时所经历的干湿循环与水压循环次数,记为实际水压次数l1。将安全系数设置为15％，当(1-15％)l1＜l0即0.85l1＜l0时，坝体处于易疲劳状态，需要对地下水库坝体水压采取降压措施。当0.85l1＝l0时，记水压疲劳系数为0，当0.85l1＞l0时，水压疲劳系数为当时，水压疲劳系数记为1。

23、根据步骤三所测各项数值进行数值模拟实验，测出地下水库坝体在开采扰动下从初始状态到失效状态时所经历的开采扰动次数，记为极限扰动次数r0。再在实验室环境下对现场煤矿地下水库坝体进行等比例相似模拟实验，测出坝体在开采扰动下从初始状态到失效状态时所经历的开采扰动次数,记为实际扰动次数r1。将安全系数设置为15％，当(1-15％)r1＜r0即0.85r1＜r0时，坝体处于易疲劳状态，需要对地下水库坝体水压采取降压措施。当0.85r1＝r0时，记扰动疲劳系数为0，当0.85r1＞r0时，扰动疲劳系数为当时，扰动疲劳系数记为1。

24、作为本发明优选的方案，步骤三中，记强度系数为q，记刚度系数为g，记裂隙失效率为i，记稳定性系数为s，记饱和度系数为b，记蠕变系数为r，记水压疲劳系数为w，记扰动疲劳系数为d。

25、作为本发明优选的方案，步骤五中，记强度权重系数为qq，记刚度权重系数为qg，记裂隙权重系数为qi，记稳定性权重系数为qs，记饱和度权重系数为qb，记蠕变权重系数为qr，记疲劳权重系数为qp,记水压疲劳权重系数为qw，记扰动疲劳权重系数为qd。

26、作为本发明优选的方案，所述步骤五中，当各项指标都处于安全非失效

27、范围内时，根据室内与现场各因素计算与监测结果，确定各因素权重，依次为：强度＞刚度＞裂隙连通率＞稳定性＝渗流＝蠕变＝疲劳。依据相似模拟实验、数值模拟实验以及现场勘测结果确定强度、刚度、裂隙连通率、稳定性、渗流、蠕变、疲劳各因素影响权重，主影响因素为强度、刚度和裂隙连通率，权重依次减少，次影响因素为稳定性、渗流、蠕变和疲劳。其中强度权重系数qq+刚度权重系数qg+稳定性权重系数qs+裂隙权重系数qi+饱和度权重系数qb+蠕变权重系数qr+疲劳权重系数qp(疲劳权重系数qp包括扰动疲劳权重系数qd与水压疲劳权重系数qw，水压疲劳权重系数qw＝扰动疲劳权重系数qd，水压疲劳权重系数qw+扰动疲劳权重系数qd＝疲劳权重系数qp)。

28、作为本发明优选的方案，所述步骤五中，综合安全系数：w＝qqq+gqg+sqs+iqi+bqb+rqr+wqw+dqd。记煤柱坝体综合安全系数为w煤柱，记人工坝体综合安全系数为w人工。

29、作为本发明优选的方案，所述步骤五中，当q＝g＝s＝i＝b＝r＝w＝d＝1时，综合安全系数记为fmax。

30、作为本发明优选的方案，所述步骤五中，在获取安全评估结果后，对地下水库坝体进行安全性防治。其中防治手段包括：

31、a.当0.8fmax＜w＜fmax时，地下水库煤柱坝体以及人工坝体足够安全，无需采取相应防治手段；

32、b.当0.6fmax＜w＜0.8fmax时，地下水库煤柱坝体以及人工坝体不够安全，需要优化地下水库进放水系统，适当减少进水与放水次数，避免坝体因干湿循环与水压循环出现失效隐患；

33、c.当0.4fmax＜w＜0.6fmax时，地下水库煤柱坝体以及人工坝体不安全，需要优化地下水度储水系统，适当降低蓄水高度，减少蓄水与放水次数；

34、d.当0＜w＜0.4fmax时，地下水库煤柱坝体以及人工坝体易出现失效情况，需通过传感器实时监测地下水库煤柱坝体与人工坝体情况，当0.2fmax＜w＜0.4fmax时，需布设锚杆支撑地下水库坝体，当0＜w＜0.2fmax时，需先通过传感器确定易失效处，再对相应重点区域进行注浆封堵手段。