基于FLAC3D的富水地層立井開挖地下水滲流分析

郗 征，陶 莎

(1.岑溪市經(jīng)濟(jì)信息中心，廣西 岑溪 543200；2.岑溪市建設(shè)規(guī)劃室，廣西 岑溪 543200)

0 前 言

立井井筒開挖過程中,地下水的作用是誘發(fā)井筒涌水、井壁淋水的重要因素之一,地下水的滲入會(huì)增加井筒圍巖孔隙水壓力,使?jié)B水后的巖體強(qiáng)度降低,發(fā)生水化現(xiàn)象而失穩(wěn)，故常常引起井壁失穩(wěn)、坍塌，可能造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。本文依托某煤礦中央回風(fēng)立井項(xiàng)目開展富水地層立井井筒開挖過程中，地下水滲流對(duì)井筒周邊巖體變形的分析，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬，分析地下水滲流影響條件下立井井筒周邊圍巖豎向位移動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為井筒支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性分析提供分析方向。

1 應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型

應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)-滲流場(chǎng)的耦合作用主要是分析巖體中水的滲流與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。由于巖體具有裂隙性，裂隙是地下水滲入的主要通道,水進(jìn)入巖體裂隙形成滲流場(chǎng),對(duì)巖體裂隙張開度和剛度造成影響;反之,在應(yīng)力作用下,巖體張開度變化將改變地下水滲流性能。由于巖體的滲流性取決于裂隙的滲流情況，本文假設(shè)裂隙巖體為等效連續(xù)的介質(zhì)，巖體中的滲流性能等效于等效連續(xù)介質(zhì)的滲流性，巖體的應(yīng)力將被視為是等效應(yīng)力，并用滲透系數(shù)張量來闡述裂隙的滲流性能，用應(yīng)力張量來闡述巖體的應(yīng)力。

在FLAC3D中，運(yùn)用有限差分法來進(jìn)行巖土體的應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合計(jì)算。流體的質(zhì)量平衡關(guān)系見式(1)。

(1)

式中，ζ為流體容積的變分；qv為流體密度。

流體的運(yùn)動(dòng)方程用達(dá)西定律來表示，達(dá)西定律對(duì)均質(zhì)且各向同性的固體、流體密度均為恒定值時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程如式(2)所示。

qi=-k[p-pfxjqj]>

(2)

式中,k為介質(zhì)滲透系數(shù)，m2/Pa·s；Ρf為流體密度，kg/m2；gj(j=1,2,3)為重力加速度的三個(gè)分量。

流體的滲入對(duì)裂隙張開度的影響表現(xiàn)為體積的變化，體積改變導(dǎo)致巖體中的孔隙壓力的變化，反之，改變孔隙壓力也會(huì)引起體積變化進(jìn)而改變巖體的滲透性。所以，孔隙介質(zhì)本構(gòu)方程增量表示為式(3)：

(3)

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文以陜西省某煤礦中央回風(fēng)立井項(xiàng)目作為研究對(duì)象，礦井建設(shè)規(guī)模300萬t/a。由于該立井建設(shè)所在地區(qū)地下水量豐富，巖體裂隙發(fā)育，裂隙水進(jìn)入巖體裂隙中，會(huì)導(dǎo)致圍巖自重加大，巖體凝聚力下降，內(nèi)摩擦力減小，圍巖性質(zhì)差，容易引起坍塌。考慮到水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，施工中采用了超前探水及對(duì)圍巖開挖擾動(dòng)少的掘砌開挖方法進(jìn)行施工，但井內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)涌水失穩(wěn)、局部有裂縫、少量滑塌的現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明井筒收斂較大，因此，初期支護(hù)的鋼支撐也出現(xiàn)了一定程度的變形。

2.2 數(shù)值模型

在建立FLAC3D三維數(shù)學(xué)模型過程中，考慮到巖體關(guān)鍵節(jié)理裂隙的分布狀態(tài)，在井壁兩側(cè)各設(shè)置裂隙一組，立井圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育程度通過弱化巖體強(qiáng)度的方法模擬，模型范圍取地下133.5 m以下，寬度為57.5 m巖層為研究對(duì)象。在數(shù)值計(jì)算中，圍巖巖體裂紋損傷屬性參數(shù)如表1所示。

表1 裂紋計(jì)算參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

井筒開挖后，井筒圍巖地下水滲流流動(dòng)矢量分析如圖1所示。

圖1 井筒圍巖地下水滲流流動(dòng)矢量分布圖

由圖1可知，井筒開挖后，地下水在水頭壓力作用下開始向井筒內(nèi)滲流，其滲水多發(fā)部位主要集中在井筒工作面及井壁，由此可知，地下水的滲流主要影響圍巖接觸處，在圍巖裂隙面處矢量密集，在實(shí)際工程中將表現(xiàn)為井筒收斂大、井筒涌水、井壁淋水，這和在富水巖層開挖立井的實(shí)際情況是相符的。

在計(jì)算分析中，采用有限差分法將數(shù)值化離散，結(jié)合初始條件和邊界條件建立隱式差分格式下滲流微分方程，考慮到該計(jì)算區(qū)域水量豐富，且水位與季節(jié)變化有關(guān)系，因此，本文在數(shù)值模擬中進(jìn)行了不同地下水位條件下立井井筒內(nèi)圍巖穩(wěn)定性影響分析，研究在模擬不同地下水賦存條件下，井筒內(nèi)工作面及含水層底部的圍巖最大豎向位移變化情況。

在無支護(hù)條件下，地下水位與最大豎向位移關(guān)系的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，不同地下水的賦存條件將對(duì)井筒圍巖最大豎向位移造成線性影響，隨著地下水位的下降，井筒內(nèi)工作面和含水層底部的最大豎向位移均呈線性減小趨勢(shì)，井筒內(nèi)工作面的變化幅度不大，而含水層底部最大豎向位移則變化幅度較大。在所模擬的不同工況下，無論是井筒內(nèi)工作面還是含水層底部的最大豎向位移值均大于規(guī)定值，這是圍巖失穩(wěn)的根本原因。

圖2 地下水位-最大豎向位移關(guān)系曲線

圖3 初期支護(hù)地下水位-最大豎向位移關(guān)系曲線

若對(duì)井壁進(jìn)行初期支護(hù)，計(jì)算得到地下水位與最大豎向位移關(guān)系曲線如圖3所示。結(jié)果表明，進(jìn)行初期支護(hù)后，井壁承載能力有所增大，在相同工況下最大豎向位移明顯減少，但其值仍較高。另外，由于FLAC3D的數(shù)值模擬計(jì)算中，當(dāng)計(jì)算得到的最大不平衡力趨于穩(wěn)定或一個(gè)相對(duì)較小的值時(shí)，就被認(rèn)為結(jié)果收斂而停止計(jì)算，因此，計(jì)算結(jié)果往往會(huì)比實(shí)際情況有所偏差，在實(shí)際施工中需采用進(jìn)一步加固措施對(duì)井壁圍巖進(jìn)行處理。

3 結(jié) 語

地下水的滲流作用對(duì)立井開挖后圍巖穩(wěn)定性的影響是非常明顯的，水的滲入是誘發(fā)井筒涌水、井壁淋水、圍巖失穩(wěn)的重要因素，在富水地層及雨量充沛地區(qū)考慮地下水滲流作用尤為重要，將直接影響施工人員和財(cái)產(chǎn)的安全。在立井開挖支護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)亟邓闆r、地下水位變化、地下水滲流強(qiáng)度、地質(zhì)條件等因素對(duì)井筒圍巖穩(wěn)定性的影響，除做好超前探水、超前支護(hù)外,還應(yīng)考慮采用灌漿等加固措施加強(qiáng)井筒圍巖承載能力，確保人員的生命及財(cái)產(chǎn)安全。