基于同濟曙光軟件的康克拉銅礦VS3B井有限元分析

楊志平（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

基于同濟曙光軟件的康克拉銅礦VS3B井有限元分析

楊志平（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

通過用同濟曙光軟件對VS3B井井筒三個不同深度位置的有限元分析，給出了單元應力及結構內力云圖，并對結果進行分析對比，提出了指導施工的意見。

井筒支護；圍巖應力；有限元分析；同濟曙光

引言

贊比亞康克拉銅礦KDMP01B[1]項目，由中色建設集團有限公司總承包，中國瑞林工程技術有限公司（原南昌有色冶金設計研究院）設計、中都國際（贊比亞）有限公司施工及安裝。項目建成后礦山采選能力由2Mt/a增加到6Mt/a。

其中豎井工程的VS3B井，需經過井筒刷大加深改造后，功能為通風兼大件整體下放。

1 設計條件

基本地震 （OBE），采用 0.05g。VS3B井井口海拔1300.805m，該井原為從地表至625mL的進風井，井內和地表沒有安裝任何設施。已有9條聯絡巷道，分別于160mL、220mL、280mL、345mL、410mL、470mL、480mL、590mL和625mL。已有鉆孔深度為900m的勘察資料，除地表至30m深為頁巖外，主要為石英巖。其次為頁巖、礫巖、砂巖。

設計要求將現有的VS3B井由φ5.0m直徑井筒刷大為φ7.4m，深度從地表至590m。VS3B井在480mL、690mL連接處設置下放設備進出平臺。下放設備包括鏟運機ST1020甚至尺寸更大些的設備，并且要求設備不解體進行整體下放。

2 地壓計算

側壓計算，GB 50384-2007第6.1.3條計算[2]，結構重要性系數γ0=1.1，永久荷載的分項系數γG=1.2。按不均勻側壓力考慮井壁所受荷載，不均勻系數K=1.2。在井筒深度100m以內的ⅣⅤ級圍巖段，在設計地壓內考慮水壓的作用。VS3B井設計地壓的計算結果見表1。

表1 VS3B井設計地壓

3 有限元分析

軟件采用上海同巖土木工程科技有限公司開發的同濟曙光巖土及地下工程設計與施工分析軟件GeoFBA4.0（Build 200）[3]。井壁擬采用C20混凝土進行澆灌。

3.1 計算結果1

3.1.1 條 件

計算點井筒深度：121m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護：厚度：400mm，混凝土。

錨桿：HRB335 φ16mm，L2.0m@1500mm。

設計側壓1（Y軸）：2.530MPa。

設計側壓2（Y軸）：2.109MPa。

圍巖級別：Ⅳ級。

3.1.2 計算模型圖

模型見圖1計算模型圖。

圖1 計算模型圖

3.1.3 有限元控制信息

計算標題：

問題類型：平面應變；

本構模型：線彈性；

屈服準則：德魯克-普拉格準則；

最大迭代次數：20；

單元應力釋放方法：mana法；

接觸面單元模型：線彈性理想塑性；

反分析計算方法：單純形法；

構造應力：無；

自重應力：無；

自重應力計算方法：按有限元計算；

地下水位坐標：0m；

地下水比重：-10kN/m3。

3.1.4 材 料

共5個材料：

材料1：平面材料，各向同性體，E=0kPa，μ=0，γ=0kN/m3，C=0kPa，φ=0°，Rt=0kPa，K0=0；

材料2：桿材料，桿，E=0kPa，A=0m2，γ=0kN/m3；

材料3：節理材料，接觸元（單面），Ks=0kN/m，KN=0kN/m，γ=0kN/m3，C=0kPa，φ=0°，Vm=0m，Rt=0kPa，Rf=0，χ1=0；

材料4：Ⅳ級圍巖各向同性，各向同性體，E=3.65e+ 006kPa，μ=0.325，γ=-23.5kN/m3，C=450kPa，φ=33°，Rt= 450kPa，K0=0；

材料5：模注混凝土C20各向同性，各向同性體，E=2.55e+ 007kPa，μ=0.167，γ=-24kN/m3，C=1100kPa，φ=58.6°，Rt= 1100kPa，K0=0。

結點位移見圖2。

圖2 位移矢量圖

單元應力及結構內力見圖3～4。

圖3 σ1

圖4 σ3

3.2 計算結果2

條件：

計算點井筒深度：189m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護：厚度：300mm，混凝土。

錨桿：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

設計側壓1（Y軸）：1.160MPa。

設計側壓2（Y軸）：0.967MPa。

圍巖級別：Ⅲ級。

（計算模型圖等略，下同）

3.3 計算結果3

條件：

計算點井筒深度：600m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護：厚度：300mm，混凝土。

錨桿：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

設計側壓1（Y軸）：3.008MPa。

設計側壓2（Y軸）：2.507MPa。

圍巖級別：Ⅰ級。

4 結果

VS3B井有限元分析結果見圖5，圖5中僅列出絕對值最大數進行精煉。因為3組分析混凝土井壁均沒有出現屈服區，故未列入。

圖5 VS3B井有限元分析結果

經過有限元分析計算，可知井筒支護滿足設計要求，并對施工提出如下幾點建議：

（1）由于新鮮基巖埋藏較深，約在深140m左右，圍巖屈服厚度約在0.5～2.5m的環行帶內，故錨桿對圍巖的加固作用顯得較為重要，應及時施作。

（2）掘進時應預防片幫等現象發生，對于含水層地帶，尤其局部風化且含高嶺土的地層，可采用小導管注漿或超前預支護錨桿，改善圍巖條件，以免高嶺土遇水膨脹及水壓帶來的井壁側壓急劇增加。

（3）雖然混凝土井壁均沒有出現屈服區，在施工中應避免井壁蜂窩、麻面、集中漏水等情況，以免圍巖屈服區內巖石被流失，進而影響到圍巖應力重新分配。

（4）井頸施工時，應盡量避開12月至次年4月的雨季。

由于各方努力，VS3B井已經建成并具備了設計預期的通風及大件下放功能，其所屬的贊比亞康克拉銅礦項目也榮獲2010～2011年度國家優質工程銀質獎。

5 結語

綜合分析可知，該井適合普通鉆爆法施工，支護參數：水泥砂漿錨桿，直徑16mm，L=2m，HRB335鋼筋，間距1.5m× 1.5m，澆灌C20混凝土。

雖然用薄壁、厚壁桶公式可進行井壁混凝土厚度計算并簡單易行，但不如有限元分析的云圖表達精準細致，設計實踐中宜互相佐證以保證結構安全。

[1]PLC K C M.Konkola Copper Mines Plc[EB].（2016，11）[2016，11].

[2]中國煤炭建設協會.《煤礦立井井筒及硐室設計規范》（GB 50384-2007）[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[3]上海同巖土木工程科技股份有限公司.同濟曙光巖土及地下工程設計與施工分析軟件V4.0[CP].2007.

TD350.1

A

2095-2066（2016）33-0095-02

2016-11-11

楊志平（1957-），男，高級工程師，主要從事礦井建設工程設計工作。