黑龍江省榮華立井壁后空洞破壞及注漿有限元分析

張向東，尹曉文，張樹坤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

黑龍江省榮華立井壁后空洞破壞及注漿有限元分析

張向東，尹曉文，張樹坤

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

井壁潰沙、壁后空洞對(duì)立井的影響一直威脅著煤礦安全生產(chǎn)，對(duì)破壞的立井穩(wěn)定性規(guī)律研究分析及處理方法備受關(guān)注。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ADINA，采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則和拉伸破壞準(zhǔn)則的組合并結(jié)合現(xiàn)場儀器原位檢測模擬井壁后空洞破壞以及注漿，對(duì)榮華立井壁潰沙、壁后空洞對(duì)立井穩(wěn)定性的影響和壁后注漿治理時(shí)不同注漿壓力對(duì)井壁穩(wěn)定性影響的基本規(guī)律進(jìn)行研究，并依據(jù)分析結(jié)果制定了注漿方案。數(shù)值仿真分析表明:潰沙、空洞對(duì)井筒穩(wěn)定有不利影響，并造成地表沉降;注漿壓力對(duì)井筒穩(wěn)定性有直接影響，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定值時(shí)，井壁豎向應(yīng)力可出現(xiàn)拉壓力，水平應(yīng)力增大易導(dǎo)致井壁破裂。

立井;有限元分析;井壁破壞;注漿加固

0引言

立井井筒破壞預(yù)防治理方法的研究涉及到立井井筒的設(shè)計(jì)、施工及鋼筋混凝土材料的破壞等問題，且需要將立井井筒破壞發(fā)生機(jī)理與前述問題相結(jié)合考慮［1］。目前主要有在建井前設(shè)計(jì)采取新型立井設(shè)計(jì)或者在建井前期對(duì)周圍土體采取降水的措施［2］;若立井井筒破壞后，其治理方法主要是破壁注漿，能夠起到快速阻止破裂井壁段的涌水，對(duì)井壁后局部范圍內(nèi)的土巖層及破裂處的井壁起到一定的加固作用，但不能有效的阻止立井井壁豎向變形，不能起到對(duì)立井井筒周圍的底部含水層和風(fēng)化帶的整體加固作用［3-6］;地面帷幕注漿，對(duì)于治理井壁破裂具有一定的作用，但其存在實(shí)施過程難以控制及費(fèi)用高等缺點(diǎn)，而且不能夠做到完全根治［7-8］;套壁加固，只能對(duì)井壁起到暫時(shí)的修補(bǔ)作用，在短時(shí)間內(nèi)井壁會(huì)由于底部的失水而產(chǎn)生再次的破壞［5-9］;卸壓槽法，能夠在較長的一段時(shí)間內(nèi)較好的控制立井井壁的變形、破裂，但其缺點(diǎn)是在施工過程中需占用生產(chǎn)時(shí)間，影響礦山的正常的工作生產(chǎn)［6-10］。有時(shí)候需要把這幾種方法綜合起來使用。

1 工程概況

榮華立井位于黑龍江省內(nèi)，有主井、副井和風(fēng)井三個(gè)井筒。主井井筒設(shè)計(jì)井徑6.5m，井深921m。0～190m井壁結(jié)構(gòu)為壁厚850mm鋼筋混凝土，190m以下為600mm厚的300#鋼筋混凝土。副井井筒設(shè)計(jì)井徑8.0m，井深 866m，0～155m井壁結(jié)構(gòu)為壁厚850mm鋼筋混凝土，155m以下為600mm厚300#混凝土。主井、副井井筒在第四系流砂層、新三系粉砂巖、新三系硅藻巖、新三系玄武巖和老三系等膠結(jié)差的砂巖施工時(shí)，出現(xiàn)了不同程度的潰沙和片幫，形成空洞。其中在玄武巖和老三系膠結(jié)差的砂巖交界處形成的空洞最大。榮華主井、副井井壁后空洞的存在將會(huì)嚴(yán)重影響井筒的安全使用，可能會(huì)導(dǎo)致井壁的突然破壞，造成安全生產(chǎn)事故，同時(shí)也會(huì)引起地面沉降影響地面提升設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 主要工程地質(zhì)條件及空洞產(chǎn)生原因

2.1 主要工程地質(zhì)條件

井田區(qū)含水層，按其地質(zhì)時(shí)代、巖性特征、埋藏條件可劃分8個(gè)含水層(帶):

(1)第四系沖積、坡積孔隙含水層(Ⅰ);

(2)第三系頂部孔隙裂隙含水層(Ⅱ1);

(3)第三系上部孔隙裂隙含水層(Ⅱ2);

(4)第三系中部孔隙裂隙含水層(Ⅱ3);

(5)第三系下部孔隙裂隙含水層(Ⅱ4);

(6)侏羅系城子河組風(fēng)化裂隙含水層(Ⅲ1);

(7)侏羅系城子河組層間裂隙含水帶(Ⅲ2);

(8)侏羅系城子河組斷層水(Ⅲ3)，井田區(qū)隔水層，賦存于第四紀(jì)堆積物頂部和第三紀(jì)地層中，隔水層巖性為粘土、泥巖和玄武巖，現(xiàn)分述如下:1)第四系亞粘土隔水層(G0);2)第三系上部厚層泥巖隔水層(G1);3)第三系中間玄武巖隔水層(G2);4)第三系中下部泥巖隔水層(G3、G4)。

2.2 空洞產(chǎn)生原因

由主井和副井的地層結(jié)構(gòu)可知在第四系、第三系地層中，均有多層的含水砂巖層、含水玄武巖風(fēng)化帶地層等。當(dāng)井筒掘井到該含水層時(shí)，由于沒有進(jìn)行預(yù)注漿或凍結(jié)，因此含水層向井筒充水，造成井筒涌水比較大，井筒涌水進(jìn)一步導(dǎo)致易于片幫;20世紀(jì)90年代初我國的特殊施工方法(凍結(jié)法和鉆井法)還不能達(dá)到該井筒的深度，因此采用普通法進(jìn)行鑿井，造成施工過程中抗水患和防潰砂的能力不足。另外對(duì)第三系砂巖中未成巖的流砂層對(duì)井筒施工的危害認(rèn)識(shí)不足，對(duì)玄武巖風(fēng)化帶的危害認(rèn)識(shí)不足，因此未采用預(yù)注漿加固和封堵圍巖主要含水層、流砂層、風(fēng)化破碎帶;另外一個(gè)原因則是第三系地層埋深大、應(yīng)力大、巖體強(qiáng)度低(硅藻巖)，部分砂巖尚未完全固結(jié)成巖，易于垮落和流動(dòng)。地層中有多層承壓含水層，在向井筒充水的過程中，挾帶部分砂層。因此在掘進(jìn)過程中，一旦支護(hù)不利，會(huì)出現(xiàn)大量的涌水和潰沙。

3 井壁破壞的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

本文中井壁破壞分析采用ADINA軟件，它是一個(gè)通用的分析軟件。以榮華立井區(qū)主、副井的位置關(guān)系建立模型，主、副井之間的直線距離約為71m，主井井筒直徑為6.5m，副井井筒直徑為8m，垂直深度取為350m，兩井筒向周圍各取100m。建立模型計(jì)算的主要目的是考察在井筒埋深280m左右，跨落的空洞對(duì)井筒的影響及地表的沉降的影響。根據(jù)模型的需要，不同區(qū)域劃分的網(wǎng)絡(luò)疏密不同。建立三維模擬效果如圖1所示:

根據(jù)建立的模型，模型前后和左右邊界施加水平約束，即使模型的邊界水平位移為零，模型底部邊界固定，即底部邊界水平位移、垂直位移為零，模型頂部為自由邊界，垂直方向施加由重力產(chǎn)生的載荷，側(cè)向應(yīng)力由重力產(chǎn)生。

圖1 三維有限元模型網(wǎng)格圖Fig.1 Three-dimensional finite element mesh figure

在計(jì)算中采用莫爾-庫侖彈塑性模型，在這種本構(gòu)模型中，材料的屈曲面服從莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則(剪切屈服函數(shù))和拉伸屈服準(zhǔn)則。在屈曲面上的應(yīng)力由不關(guān)聯(lián)剪切破壞流動(dòng)法則和關(guān)聯(lián)的拉伸破壞流動(dòng)法則共同確定。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)勘察報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)及其井壁的特性計(jì)算參數(shù)取值(表1)。根據(jù)開挖井筒時(shí)的工程資料，井筒280m到285m處為主要空洞，為了模型的建立的方便，把不規(guī)則區(qū)域整合為一個(gè)規(guī)則的立方體，體積約為750m3。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

井筒開挖形成的空洞造成地面下沉，模擬結(jié)果見圖2、圖3，數(shù)值處理后見圖4。

圖2 地表下沉等值線圖(m)Fig.2 The surface subsidence isoline (m)

(1)從圖2，3中可看出，位移下沉量呈凹兜型，兩井筒中間下沉量大于其兩側(cè)，基本呈對(duì)稱分布。在地表下沉曲線可以看出破壞對(duì)地表影響的程度和范圍，主、副井筒之間產(chǎn)生最大下沉值在0.15m左右，距離兩井筒以外越遠(yuǎn)沉降值越小。從圖3可看出離地表越深、越是接近流沙潰壁處，下沉值也越大。

(2)由圖4可見，縱向距井筒相同距離隨深度的增加，下沉量增大。目前情況下地表最大位移約13.5cm，

表1 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters calculation model

圖3 距地表150m截面處下沉等值線圖(m)Fig.3 From the surface subsidence isoline 150m cross-section(m)

A=0.000，B=-0.0500，C=-0.1000，D=-0.1500 E=-0.2000，F(xiàn)=-0.2500，G=-0.3000，H=-0.3350巖層深部下沉量大于地表下沉量。這只是在井筒內(nèi)部一處較大空洞區(qū)域影響下產(chǎn)生的地表下沉，加上其它層位不同的空洞和面積區(qū)域大小不等的空化裂隙對(duì)地表下沉的影響，可能大于目前計(jì)算所得的下沉量。如果不采取治理措施，將來對(duì)井筒的潛在危害較大。從地表位移分布圖可看出，其下沉基本呈橢圓形，因此繪制出的地表下沉曲線呈對(duì)稱分布。

圖4 地表及巖層下沉曲線圖Fig.4 The surface subsidence and rock graph

4 注漿的數(shù)值模擬及施工方案

4.1 注漿方案

主副井治理方法的選取及參數(shù)計(jì)算基本相同，限于文章篇幅現(xiàn)以主井為例進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)，副井參數(shù)在結(jié)論中體現(xiàn)。針對(duì)井筒圍巖不同的情況以及數(shù)值模擬結(jié)果，采取不同的注漿充填加固方案，具體如下:

(1)根據(jù)主井筒施工情況和地質(zhì)條件劃分5個(gè)注漿區(qū)域，不同的注漿區(qū)域根據(jù)工程要求選用不同的注漿材料并合理布置注漿孔的位置;

(2)在主井最下部注漿區(qū)域下5～8m內(nèi)注漿加固井壁后巖體，形成止?jié){塞封堵加固注漿不向下流失;

(3)對(duì)只發(fā)生底臌而沒有形成冒落空洞的受擾動(dòng)區(qū)域，進(jìn)行水泥單液注漿加固地層;

(4)對(duì)潰沙嚴(yán)重并產(chǎn)生了冒落空洞的區(qū)域，進(jìn)行水泥+粉煤灰注漿充填，由于充填量大注粉煤灰可以降低注漿材料的成本。此外，根據(jù)注漿量和涌水情況，適當(dāng)注入水泥+水玻璃雙液漿，可以加固地層并且封堵井筒涌水，減少井筒涌水量。

4.2 注漿壓力的確定

設(shè)計(jì)距井壁 2m、5m、8m處分別加注漿壓力1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、10MPa 進(jìn)行模擬計(jì)算，從而考察井壁處的應(yīng)力變化情況，模擬方案共15個(gè)(表2)。為了直觀清楚的看到井壁壓力，從副井中位于整個(gè)井筒埋深的255m到305m處，取井壁長50m，需要注漿的一段的一半進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過對(duì)3段注漿深度，5種注漿壓力共15個(gè)方案的計(jì)算，從所得結(jié)果中取其水平應(yīng)力云圖(圖5)，井壁壓力與注漿壓力(圖6)，進(jìn)行分析得出如下結(jié)論:

(1)與井壁距離相同時(shí)，注漿壓力越大，則井壁最大水平應(yīng)力越大，對(duì)井壁穩(wěn)定性不利。

(2)注漿壓力相等時(shí)，距井壁越遠(yuǎn)，則井壁受到水平應(yīng)力越小，對(duì)井壁穩(wěn)定性越有利。

圖5 兩井筒最大剪應(yīng)力圖，單位PaFig.5 Two wellbore maximum shear stress diagram

表2 距井壁不同距離、不同壓力下的注漿方案Table 2 The grouting scheme of Different distance from wall under different pressure

圖6 井壁最大水平壓應(yīng)力 (單位:MPa)Fig.6 Maximum horizontal wellbore compressive stress(MPa)

(3)與井壁距離相同時(shí)，注漿壓力越大，則井壁最大垂直壓應(yīng)力越小，當(dāng)注漿壓力大于7MPa井壁應(yīng)力為拉應(yīng)力。井壁抗拉強(qiáng)度較低，出現(xiàn)拉應(yīng)力易在井壁施工的接茬處開裂(圖7)。

(4)本段合適注漿壓力應(yīng)小于5MPa。注漿壓力與井壁距離應(yīng)該按照分段模擬結(jié)果調(diào)整。

5 結(jié)論

圖7 井壁最大垂直應(yīng)力 (單位:MPa)Fig.7 Maximum vertical stress of wall(MPa)

立井井壁破壞，從工程地質(zhì)力學(xué)角度來看是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，井筒所處的環(huán)境為一非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，井壁破壞既有井筒所處的地質(zhì)環(huán)境的影響，又有地質(zhì)環(huán)境與采礦活動(dòng)的相互作用及土與井壁的相互作用的影響［11］。在考慮各項(xiàng)因素與數(shù)值模擬結(jié)果之后，得出以下結(jié)論:

(1)下沉量與距井筒距離、地面深度有正向關(guān)系;一般地表下沉曲線呈對(duì)稱分布。

(2)注漿壓力對(duì)井筒穩(wěn)定性有直接影響，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定值時(shí)，井壁豎向應(yīng)力可出現(xiàn)拉壓力，水平應(yīng)力增大易導(dǎo)致井壁破裂。

(3)為保障注漿期間井筒的安全以及投產(chǎn)后井筒的正常運(yùn)行，建議對(duì)井壁應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行長期監(jiān)測。

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Finite element analysis of Ronghua hollow shaft wall damage and post-grouting in Helongjiang Province

ZHANG Xiang-dong，YIN Xiao-wen，ZHANG Shu-kun
(Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

After sand wall collapse and wall of vertical cavity wall have been threatening effect of coal mine safety in production，the destruction of vertical stability analysis and processing method of law are concerned.This paper is aimed at using the fem software ADINA，with the method of Mohr-Coulomb criterion and tensile failure criteria combined with the combination of live instrumentation in situ simulation of damage and the wall cavity after grouting，Such as the vertical shaft ulcer sand，after the cavity wall opposite wells effect the stability of the impact and wall grouting，after grouting is different from that pressure on the sidewall of the stability of the basic law has been studied.According to the analysis result，grouting scheme was formulated.Numerical simulation analysis shows that:hole collapse would have an adverse effect on shaft stability and the surface subsidence;asgrouting pressure has a direct impact on the stability of shaft，when asgrouting pressure reaches a certain value，the vertical stress can appear shaftlining pull pressure;easily increased levels of stress leads to wall cracked.

vertical;finite element analysis;wall damage;grouting reinforcement

1003-8035(2010)04-0104-05

TU441+.35

A

2010-04-09;

2010-08-01

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2008S114);國家自然科學(xué)基金(50978131);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2008RC23)

張向東(1962—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土木工程方面的教學(xué)與科研工作。

E-mail:zhxd2008@yahoo.com.cn