豎井開挖過程的FLAC3D數值模擬

姚亞輝 張玉潔 萬 龍 于許兵

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116； 2.浙江省第七地質大隊，浙江 杭州 310030；3.杭州市地質環境監測站，浙江 杭州 310012； 4.四川煤田地質局成都興蜀勘察基礎工程公司，四川 成都 610000)

豎井開挖過程的FLAC3D數值模擬

姚亞輝1張玉潔2萬 龍3于許兵4

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116； 2.浙江省第七地質大隊，浙江 杭州 310030；3.杭州市地質環境監測站，浙江 杭州 310012； 4.四川煤田地質局成都興蜀勘察基礎工程公司，四川 成都 610000)

針對山西某礦豎井開挖過程中的變形和破壞問題，以該礦豎井檢查孔資料為地質背景，以地下300～400 m地層為研究對象，基于有限差分軟件FLAC3D對豎井開挖過程進行了三維數值分析，分別計算出未開挖前和每步開挖3 m后的應力和位移狀態，進行井筒側壁和底部變形規律的研究。數值計算結果表明：該豎井在開挖過程中底鼓的豎直位移最大值出現在開挖深度約為60 m處的低強度砂質泥巖，豎直位移最大值為12.99 mm；豎井開挖過程中側壁變形在泥巖段明顯大于砂巖段，側壁變形的最大位移出現在開挖深度24 m的泥巖處，水平位移最大值為2.48 mm。在泥巖和砂巖接觸部位易出現應力集中，建議在泥巖和砂巖分界處和泥巖段的井壁提高永久支護的強度。研究結果對該礦豎井的開挖具有較重要的參考價值。

豎井開挖 三維數值模擬 應力 井筒變形

隨著我國煤炭資源開采難度的加大，煤礦中的豎井也正朝超深、超大直徑方向發展。豎井開挖打破了松散層和圍巖中應力的原有平衡，引起周圍應力重新調整，形成附加應力，對豎井周圍一定范圍內的巖土體造成開挖擾動變形和破壞，直至達到新的應力平衡狀態[1]。豎井開挖過程的應力變化是復雜的[2-3]，受多種因素的制約，用其他方法不能得到很好解決，而在數值模擬中這些影響因素基本能得到很好的實現[4]。數值計算是解決采礦工程與巖土力學問題的有效手段，該方法可考慮更多的實際影響因素，進行多方案的快速比較，在參數的敏感性分析中具有明顯的優勢[5-8]。

FLAC3D是專門進行巖土工程數值分析的有限差分軟件[9-10]，內置豐富的彈塑性材料本構模型，適合求解非線性的大變形問題，在工程地質領域有著廣泛的應用。本研究采用FLAC3D軟件對豎井開挖過程中的應力和變形特征進行模擬，以得出其特征的普適性規律，為豎井在開挖過程中的支護和維護等提供相關重要的技術參數。

1 工程地質概化模型

某礦回風豎井深800多m，各井段巖石巖性、硬度、力學性質相差懸殊，軟巖井段相對較長，再加之構造破碎帶及高地應力的影響，工程地質條件復雜，容易造成豎井破壞。本研究對砂泥巖互層的300～400 m深度的地層進行了數值模擬分析。根據地質勘探資料，可簡單概化得到300～400 m巖層的柱狀圖(見圖1)。將研究區內巖層按巖性劃分為粉砂巖、泥巖、細粒砂巖、砂質泥巖、中粒砂巖5個工程地質層組，從上到下劃分為8層地層。模擬的開挖深度為0～75 m。

圖1 地層柱狀圖Fig.1 Stratum histogram

2 數值模擬

2.1 模型建立

為了模擬出豎井開挖300～400 m巖層井壁的變形規律，根據實際條件，結合研究區的地質測繪成果和地層資料,在FLAC3D軟件平臺下構建地質體數值模型如圖2所示。模型空間范圍取包含豎井檢查孔和豎井在內的69 m×69 m的地塊，高取103 m，豎井開挖直徑取9 m，每步3 m，共25步開采完畢，開挖下一步之前對其前面已開挖地段進行自然處理(不考慮支護和連續2次的相互影響)。考慮計算機模擬速度及模擬結果的精確性，因此在靠近豎井開挖面的土層網格劃分應適當加密，而遠離豎井開挖面的土層部分則相應稀疏，模型共劃分出41 400個單元，42 279個節點。根據豎井開挖的技術條件，在盡可能反映原始地質條件的前提下，對模型地質條件采取一定的假設和簡化：巖土層在巖組內為均勻連續介質；原始應力場考慮為自重應力場，不考慮構造應力場的作用。模型前后、左右側面采用水平方向固定垂直方向自由邊界；底面采用垂直和水平方向均固定的約束方式；模型頂部按300 m的補償荷載施加，約為7.27 MPa。數值模擬過程中采用Mohr-Coulomb本構模型對豎井井壁破壞特征進行計算，各巖層具體物理力學參數見表1。

圖2 三維數值模型Fig.2 3D numerical model表1 地質模型各巖層物理力學參數Table 1 Rock physical and mechanical parameters of geological model

巖石名稱密 度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦角/(°)抗拉強度/MPa粉砂巖26003.840.285.8322.65泥巖124503.450.284.6302.05中粒砂巖1270010.70.1811.4426.75砂質泥巖126003.60.285.0312.4細粒砂巖26205.60.227.7412.96砂質泥巖226203.620.285.2312.5中粒砂巖2272010.720.1811.42426.76泥巖224703.460.274.62302.15

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 豎向變化特征

圖3所示為開挖3 m對應的三維模型豎直應力分布云圖。該圖顯示模型的未開挖部分在重力作用下從上到下豎直應力呈逐漸增加的趨勢，范圍7.27～10.0 MPa，模型的開挖部分在豎井底部產生應力集中現象，造成一定程度的拉應力，大小為0.09 MPa(只給出開采第一步的應力位移計算結果圖)。隨著開采深度的增加，在同一巖層范圍內拉應力的強度和范圍逐漸增大，從模擬結果可以看出在多數開挖面底部產生明顯拉應力的效果。

圖4所示為開挖3 m豎井在開挖過程中三維模型豎直位移分布云圖。可以明顯看出，位移的影響范圍在豎井的四周和底部處存在明顯區別，在井壁四周由于應力集中出現明顯的壓縮變形；而在底部則由于卸壓作用出現導致底鼓的拉張變形。

圖3 開挖3 m三維模型豎直應力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖4 開挖3 m三維模型豎直位移分布云圖Fig.4 Vertical displacement distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖5表示開挖過程中，每一步開挖產生的新開挖段底鼓的最大豎直位移量的變化。0～8 m為粉砂巖，開挖過程為1～2步，豎井底鼓位移量由12.1 mm減小到11.5 mm；8～30 m為泥巖，開挖過程為3～10步，豎井底鼓位移量呈先增大后減小的趨勢，在開挖30 m處為泥巖和中粒砂巖的分層面，位移量達到整個開挖過程的最小值，為5.4 mm；30～38 m為中粒砂巖，開挖過程為11～12步，底鼓位移量呈現增大的趨勢，其值相比其他地層仍較小；38～73 m為砂質泥巖，開挖過程為13～24步，底鼓位移量呈先增大后減小的趨勢，在這個地層中位移量達到整個開挖過程的最大值，為12.99 mm；73～79 m為細粒砂巖，開挖第25步，位移量相比24步開始增大。

綜上所述，可以得出：豎井開挖過程中在底部由于卸壓作用出現應力集中，導致底鼓的拉張變形。其底鼓的位移量具有一定的規律性：首先，巖性較硬的巖層中井底底鼓的位移量大于巖性較軟的地層；其次，對于厚度較大在井筒開挖的過程中有存在多步開挖的地層，若其下伏地層的硬度大于該地層，其開挖每一步底鼓的位移量有先增大后減小的趨勢，底鼓位移量的最小值出現在巖層的分界面上；若其下伏地層的硬度小于該地層，在該地層開挖每一步底鼓的位移量有逐漸增大的趨勢。

圖5 開挖過程中豎井底鼓的最大豎直位移的變化曲線Fig.5 Variation curve of maximum vertical displacement heaved at the bottom of the shaft produced in each excavation section

2.2.2 徑向變化特征

圖6和圖7為開挖3 m對應的徑向應力和位移的分布云圖。結合整個開挖過程的計算結果，可以看出豎井井底產生拉應力集中的作用，使其產生隆起作用，在井壁會產生壓應力集中現象，使其產生壓縮現象。由于實際施工采用“邊開挖邊支護”的方式，在對水平位移的模擬計算中，對每一步開挖時，對之前所有的開挖步產生的水平位移進行清零。圖8表示開挖過程中，每一步開挖產生的新開挖段側壁的最大水平位移量的變化。從圖8可以看出，豎井開挖過程中，豎井側壁的變形也呈現出明顯的分層趨勢，其主要受到巖性的控制。其中泥巖層中側壁變形量最大，其次是砂質泥巖，細粒砂巖，粉砂巖，中粒砂巖的變形量最小。在模擬開挖的整個過程中，井筒側壁發生水平位移的最大值產生在開挖深度24 m，值為2.48 mm，位于泥巖層；最小值產生在開挖深度33 m，值為0.81 mm，位于中粒砂巖層。

3 結 語

(1)該豎井開挖過程中，底部會有明顯的底鼓現象，豎井底鼓的豎直位移最大值出現在開挖深度約為60 m處，豎直位移最大值為12.99 mm，巖性為砂質泥巖。最小值出現在泥巖與中粒砂巖的分界面上，最小值為5.4 mm。

(2)該豎井開挖過程中，每一步開挖產生的新開挖段側壁的最大水平位移量在開挖深度8～30 m范圍內井筒側壁變形值較大，水平位移最大值為2.48 mm，該段巖性為泥巖；最小值產生在開挖深度33 m，值為0.81 mm，位于中粒砂巖層。

圖6 開挖3 m三維模型水平應力分布云圖Fig.6 Horizontal stress distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖7 開挖3 m三維模型水平位移分布云圖Fig.7 Horizontal displacement distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖8 開挖每一段豎井側壁產生的 最大水平位移的變化曲線Fig.8 Variation curve of maximum horizontal displacement of shaft sidewall produced in each excavation section

(3)根據模擬結果，建議豎井開挖時，控制一次掘進量，杜絕超挖，確保及時完成支護和防治措施，減少圍巖暴露時間，初次支護質量要嚴格控制。圍巖破碎程度對變形起關鍵作用，建議在圍巖較為破碎和軟弱的層位采取必要的臨時支護措施。對泥巖和砂巖分界處和泥巖段的井壁，要提高永久支護的強度。

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(責任編輯 徐志宏)

Numerical Simulation by FLAC3Dduring Shaft Excavation Process

Yao Yahui1Zhang Yujie2Wan Long3Yu Xubing4

(1.SchoolofResourceandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.ZhejiangGeologicalParty7，Hangzhou310030，China；3.TheGeologicalEnvironmentMonitoringStationofHangzhou，Hangzhou310012，China；4.ChengduXingshuReconnaissanceInfrastructureEngineeringCompany，SichuanCoalfieldGeologyBureau，Chengdu610000，China)

To counter the deformation and failure in shaft excavation process in a coal mine in Shanxi，and taking the hole inspection data of the coal mine as the geological background and 300～400 m underground rock stratum as the research object，3D simulation analysis on the shaft excavation process was made with application of FLAC3Dsoftware.The displacement and stress state of the shaft before and after each excavation step at 3 m were calculated to investigate the deformation law of shaft sidewall and bottom.The calculation results showed that the maximum vertical displacement of the shaft bottom heave that appeared at low-strength sandy mudstone with the excavation depth of 60 m was 12.99 mm.The sidewall deformation at mudstone section is larger than that at sandstone during the shaft excavation process and the maximum displacement of the sidewall that appeared at the excavation depth of 24 m was 2.48 mm in horizontal.Stress concentration easily appeared in the contact zone between mudstone and sandstone.Improving the strength of permanent support in mudstone and the boundary of sandstone and mudstone was recommended.These research results have important reference value for the mine shaft excavation.

Shaft excavation，3D numerical simulation，Stress，Shaft deformation

2014-03-04

國家自然科學基金項目(編號：41102201)。

姚亞輝(1990—)，男，碩士研究生。

TD321

A

1001-1250(2014)-05-060-04