第四系松散層下豎井破裂規律的FLAC3D模擬研究

陳 維，鐘應偉

(1.湖南黃金洞礦業有限責任公司， 湖南 平江縣 414507；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

第四系松散層下豎井破裂規律的FLAC3D模擬研究

陳 維1，鐘應偉2

(1.湖南黃金洞礦業有限責任公司， 湖南 平江縣 414507；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

針對豎井工程遇到第四系松散層時容易出現井筒破裂等地質災害現象，以甘肅某礦探礦豎井為研究對象，利用有限差分程序FLAC3D對其進行開挖模擬，研究對該地層下開挖過程中井壁變形破裂規律。結果表明，井壁橫向變形量隨開挖深度的增加呈拋物線變化趨勢，當開挖至45 m時，埋深約為20 m左右處的井壁為破裂部位，生產實際中需要對該部位進行重點支護設計。

探礦豎井；井壁破裂；深厚第四系松散層；FLAC3D

0 引 言

第四紀沉積物在我國分布廣泛，種類繁多，大部分陸地表面為第四紀沉積物所覆蓋。從陸地到海洋，大部分第四紀沉積物分布在相對負地形地帶。第四系地質構造主要是殘坡積物、沖洪積物。一般為沙、礫石、腐殖物沉積構成。其中松散層主要含砂礫及松散層。對于表土段較厚的松散層，在進行豎井施工時，若井壁發生破裂，井筒內開鑿的空間將會被大量砂礫涌入且瞬間淹沒，還容易引發地表大面積塌陷[1-3]。在礦山建設中，井筒穿過第四系松散層下井巷工程的建設是一個重大的技術難題。本文以某礦探礦豎井為研究對象，運用FLAC3D對豎井開挖進行數值模擬，用數值模擬方法分析了豎井井壁破裂變化規律。

1 工程概況

某礦區位于華北地臺阿拉善臺塊西部，屬華北地臺北緣多金屬成礦帶的西延部分。該礦區由東西兩個礦段組成，二者相距5 km，屬甘肅省張掖市所轄。西礦段位于臨澤縣板橋鎮76°方位，直距23 km，交通便利。

2009年6月, 在礦區6號線附近設置1、2號探礦豎井，在礦區2號線附近設置3號探礦豎井，1號探礦豎井井深176.10 m，于2009年10月完工。2號探礦豎井井深132.20 m，于2009年11月完工。3號探礦豎井井深90 m，凈斷面7.1 m2，井筒采用45 cm×24 cm水泥圈梁錨固與普通磚塊間隔砌碹的支護方式。2010年1月，相關工作人員進行3號探礦豎井的掘進砌碹工作時，井筒自地面17 m以下冒落垮塌，17 m以下井筒全部被填埋，至事發前，井筒已掘進至46.8 m處。豎井開拓現狀見圖1。

某礦礦區鐵錳礦體長125～700 m，厚度2.68～17.39 m，傾斜延深>70.5～392 m。分布于西礦段0～16勘查線間，上部被第四系風成沙即粉沙、粉沙質黃土及白堊系砂礫巖所覆蓋，屬于第四系松散層范疇，覆蓋厚度18.39～75.04 m。下部主要為二云石英片巖、白云質大理巖、矽卡巖等堅硬巖石。因此模擬計算主要考慮上部第四系松散層對豎井開挖的影響。

圖1 礦區開拓系統

2 模型建立

研究對象為甘肅某礦3號探礦豎井，建立模型尺寸為100 m×100 m×100 m。計算模型及網格劃分如圖2所示。井筒建立在模型中央，自地表延伸至基巖以下50 m，網格按照“中間密兩邊疏”分布。由于地表平緩起伏不大，基巖傾角近水平分布，模型簡化不考慮礦體地表起伏，以及忽略基巖傾角的影響。根據該礦松散層埋深范圍取平均值選取第四系覆蓋層深度為50 m，豎井采用圓柱體，邊界條件為下部固定約束，左右兩側法向約束。以分步開挖的形式模擬井壁在松散層中的變形破壞規律。井筒凈直徑3 m，井筒原來的支護措施為：井口基礎厚度0.4 m，高度2 m，雙層鋼筋混凝土澆筑；豎井護壁為紅磚護墻，護墻厚度0.37 m。

圖2 計算模型

根據巖石力學實驗結果，并依據Hoek-Brown準則[4]，對巖石力學參數進行工程處理，得到表1的巖體力學計算參數。由于地表為第四系風成砂，在該地層達到屈服極限后，可能會出現較大的塑性流動，本文采用能表征拉伸狀態下和剪切狀態下破壞的摩爾-庫倫準則來進行模擬。

表1 巖體參數

3 計算步驟

為了真實反映井筒開挖施工過程中井壁所受到的影響，更好的研究井筒處于特殊地層下的變形和破壞情況，模擬參照實際施工的開挖深度，按照開挖順序進行，并開啟大變形計算。 開挖分為個3階段：

(1) 初始地應力場形成；

(2) 井口基礎部分深度開挖及支護；

(3) 井口基礎以下采用紅磚護墻支護，以1 m的深度開挖(模擬實際中的開挖深度)。模擬在支護后釋放一定時步，再進行下一個1 m的開挖，一直開挖至模型計算不收斂(井壁達到臨界失穩狀態)停止。

對于井壁是否達到臨界失穩狀態以不平衡力發展是否收斂作為判別標準。以不平衡力比率的限值作為最大不平衡力發展收斂的標準，即當體系最大不平衡力與典型內力比率小于1.0 × 10-5(默認值)時，認為不平衡力發展收斂[5-6]。

上述各階段的計算均按順序在前階段的開采計算基礎連續進行，得出圍巖應力疊加、破壞發展的進程和效果。

4 結果分析

當開挖至第45 m時模擬計算不收斂，圖3為模型最大不平衡力曲線，它表征此時井壁已經達到臨界失穩狀態。

圖3 最大不平衡力曲線

4.1 水平位移變化過程

從圖4中可以看出，豎井在不同的開挖深度下有以下共同規律：井口基礎部分水平位移量較小，因為井口基礎采用的是雙層鋼筋混凝土支護,能提供較大的支護承載力，且地層壓力較小，因而井口基礎產生的水平位移較小。因為第四系松散層的流塑性與特殊性，隨著開挖深度的增加，井筒的水平位移逐漸增加，水平位移的方向均指向井筒內部。說明井壁在表土松散層的作用下逐漸產生變形。

在開挖深度為10 m時，豎井井壁的最大水平位移為2.5 mm；當挖至20 m時，井壁的最大水平位移為6 mm；當開挖深度為30 m時，豎井井壁的最大水平位移已增加至60 mm，且因為模擬過程中開啟了大變形，中間段井壁出現向中間收縮的趨勢；當挖至45 m深處時，模型最大不平衡力計算已經無法收斂，模型的網格產生畸變，表明井壁內部的裂隙逐漸貫通，井壁失穩產生較大的橫向變形，直至井壁中段破裂失穩。同時在埋深20 m左右的井壁出現相對較大的水平位移，說明該處為探礦豎井井壁的破裂部位。

圖4各開挖深度的水平位圖移云圖

4.2 水平位移變化過程

通過模擬計算可知,當豎井開挖至第45 m時計算不收斂，模型已經發生破壞，網格畸變。調入井壁破壞前開挖深度43 m時計算模型。模擬過程中在表土松散層段井壁內側豎直方向均勻布置18個監測點，記錄井壁水平位移參數。通過FLAC3D輸出各監測點數據,并導入origin進行數據擬合，得到圖5所示的水平位移-深度擬合曲線。

圖5 水平位移-深度擬合曲線

從該曲線可以看出，在埋深5 m處井壁水平位移基本上變化不大。因為地表淺部井壁受到的地壓并不大，同時井口部位井壁為鋼筋混凝土基礎，可以有效防止該部位井壁的變形。在埋深10 m以下，豎井在原支護下水平位移隨埋深的增加有變大的趨勢。在20 m左右井壁水平位移達到峰值,最大位移量約為60 mm。在埋深20 m以下井壁水平位移隨埋深增加而減小。

5 結 論

依據三維數值模擬計算結果，當遇到較厚的第四系松散層時，豎井會隨開挖深度增加，井壁橫向位移變化基本上遵循隨埋深呈似拋物線形式(先增大后減小)的變化趨勢，約在松散層段中上部井壁會出現應力集中及較為明顯的塑性區屈服現象。針對該礦的實際情況，在豎井施工過程中應加強對該部位的支護，以提高井壁薄弱部位的承載能力，實現礦山安全生產。同時該研究成果可為同類礦山位于松散層下豎井的支護設計提供參考。

[1] 孟昭忠,陳忠年,鄧 磊.東榮二礦副井井筒凍結段井壁破裂治理[J].煤炭科技,2010,29(7):66-67.

[2] 武志高.井巷工程中流沙層治理方法的探討[J].太原科技,2008(11):68-70.

[3] 史海剛.立井井筒采用普通法通過特厚流砂層施工技術[J].科技信息,2010(21):1002-1003.

[4] 鐘應偉,萬 文,趙延林,等.甕福磷礦礦柱安全留設尺寸確定與現場監測[J].礦業工程研究,2012,27(3)28-33.

[5] 趙延林,吳啟紅,王衛軍,等.基于突變理論的采空區重疊頂板穩定性強度折減法及應用[J].巖石力學與工程學報,2010,29(7):1424-1434.

[6] 周小平,黃煜鑌,丁志誠.考慮中間主應力的太沙基地基極限承載力公式[J].巖石力學與工程學報,2002,21(10):1554-1556.

2013-10-21)

陳 維(1986-)，男，湖南岳陽人，助理工程師，主要從事采礦技術與礦山管理工作， Email:170983664@qq.com。