豎井開(kāi)挖過(guò)程的FLAC3D數(shù)值模擬

姚亞輝 張玉潔 萬(wàn) 龍 于許兵

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.浙江省第七地質(zhì)大隊(duì)，浙江 杭州 310030；3.杭州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 310012； 4.四川煤田地質(zhì)局成都興蜀勘察基礎(chǔ)工程公司，四川 成都 610000)

豎井開(kāi)挖過(guò)程的FLAC3D數(shù)值模擬

姚亞輝1張玉潔2萬(wàn) 龍3于許兵4

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.浙江省第七地質(zhì)大隊(duì)，浙江 杭州 310030；3.杭州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 310012； 4.四川煤田地質(zhì)局成都興蜀勘察基礎(chǔ)工程公司，四川 成都 610000)

針對(duì)山西某礦豎井開(kāi)挖過(guò)程中的變形和破壞問(wèn)題，以該礦豎井檢查孔資料為地質(zhì)背景，以地下300～400 m地層為研究對(duì)象，基于有限差分軟件FLAC3D對(duì)豎井開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值分析，分別計(jì)算出未開(kāi)挖前和每步開(kāi)挖3 m后的應(yīng)力和位移狀態(tài)，進(jìn)行井筒側(cè)壁和底部變形規(guī)律的研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：該豎井在開(kāi)挖過(guò)程中底鼓的豎直位移最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖深度約為60 m處的低強(qiáng)度砂質(zhì)泥巖，豎直位移最大值為12.99 mm；豎井開(kāi)挖過(guò)程中側(cè)壁變形在泥巖段明顯大于砂巖段，側(cè)壁變形的最大位移出現(xiàn)在開(kāi)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(xiàn)應(yīng)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(hù)的強(qiáng)度。研究結(jié)果對(duì)該礦豎井的開(kāi)挖具有較重要的參考價(jià)值。

豎井開(kāi)挖 三維數(shù)值模擬 應(yīng)力 井筒變形

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采難度的加大，煤礦中的豎井也正朝超深、超大直徑方向發(fā)展。豎井開(kāi)挖打破了松散層和圍巖中應(yīng)力的原有平衡，引起周圍應(yīng)力重新調(diào)整，形成附加應(yīng)力，對(duì)豎井周圍一定范圍內(nèi)的巖土體造成開(kāi)挖擾動(dòng)變形和破壞，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)[1]。豎井開(kāi)挖過(guò)程的應(yīng)力變化是復(fù)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(shù)值模擬中這些影響因素基本能得到很好的實(shí)現(xiàn)[4]。數(shù)值計(jì)算是解決采礦工程與巖土力學(xué)問(wèn)題的有效手段，該方法可考慮更多的實(shí)際影響因素，進(jìn)行多方案的快速比較，在參數(shù)的敏感性分析中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[5-8]。

FLAC3D是專門進(jìn)行巖土工程數(shù)值分析的有限差分軟件[9-10]，內(nèi)置豐富的彈塑性材料本構(gòu)模型，適合求解非線性的大變形問(wèn)題，在工程地質(zhì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本研究采用FLAC3D軟件對(duì)豎井開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力和變形特征進(jìn)行模擬，以得出其特征的普適性規(guī)律，為豎井在開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)和維護(hù)等提供相關(guān)重要的技術(shù)參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概化模型

某礦回風(fēng)豎井深800多m，各井段巖石巖性、硬度、力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，軟巖井段相對(duì)較長(zhǎng)，再加之構(gòu)造破碎帶及高地應(yīng)力的影響，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，容易造成豎井破壞。本研究對(duì)砂泥巖互層的300～400 m深度的地層進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，可簡(jiǎn)單概化得到300～400 m巖層的柱狀圖(見(jiàn)圖1)。將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性劃分為粉砂巖、泥巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖5個(gè)工程地質(zhì)層組，從上到下劃分為8層地層。模擬的開(kāi)挖深度為0～75 m。

圖1 地層柱狀圖Fig.1 Stratum histogram

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了模擬出豎井開(kāi)挖300～400 m巖層井壁的變形規(guī)律，根據(jù)實(shí)際條件，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)測(cè)繪成果和地層資料,在FLAC3D軟件平臺(tái)下構(gòu)建地質(zhì)體數(shù)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(nèi)的69 m×69 m的地塊，高取103 m，豎井開(kāi)挖直徑取9 m，每步3 m，共25步開(kāi)采完畢，開(kāi)挖下一步之前對(duì)其前面已開(kāi)挖地段進(jìn)行自然處理(不考慮支護(hù)和連續(xù)2次的相互影響)?？紤]計(jì)算機(jī)模擬速度及模擬結(jié)果的精確性，因此在靠近豎井開(kāi)挖面的土層網(wǎng)格劃分應(yīng)適當(dāng)加密，而遠(yuǎn)離豎井開(kāi)挖面的土層部分則相應(yīng)稀疏，模型共劃分出41 400個(gè)單元，42 279個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)豎井開(kāi)挖的技術(shù)條件，在盡可能反映原始地質(zhì)條件的前提下，對(duì)模型地質(zhì)條件采取一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化：巖土層在巖組內(nèi)為均勻連續(xù)介質(zhì)；原始應(yīng)力場(chǎng)考慮為自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用。模型前后、左右側(cè)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(bǔ)償荷載施加，約為7.27 MPa。數(shù)值模擬過(guò)程中采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)豎井井壁破壞特征進(jìn)行計(jì)算，各巖層具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 三維數(shù)值模型Fig.2 3D numerical model表1 地質(zhì)模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)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(qiáng)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(zhì)泥巖126003.60.285.0312.4細(xì)粒砂巖26205.60.227.7412.96砂質(zhì)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(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 豎向變化特征

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

圖4所示為開(kāi)挖3 m豎井在開(kāi)挖過(guò)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(qū)別，在井壁四周由于應(yīng)力集中出現(xiàn)明顯的壓縮變形；而在底部則由于卸壓作用出現(xiàn)導(dǎo)致底鼓的拉張變形。

圖3 開(kāi)挖3 m三維模型豎直應(yīng)力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖4 開(kāi)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(kāi)挖過(guò)程中，每一步開(kāi)挖產(chǎn)生的新開(kāi)挖段底鼓的最大豎直位移量的變化。0～8 m為粉砂巖，開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖過(guò)程為3～10步，豎井底鼓位移量呈先增大后減小的趨勢(shì)，在開(kāi)挖30 m處為泥巖和中粒砂巖的分層面，位移量達(dá)到整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的最小值，為5.4 mm；30～38 m為中粒砂巖，開(kāi)挖過(guò)程為11～12步，底鼓位移量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其值相比其他地層仍較??；38～73 m為砂質(zhì)泥巖，開(kāi)挖過(guò)程為13～24步，底鼓位移量呈先增大后減小的趨勢(shì)，在這個(gè)地層中位移量達(dá)到整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的最大值，為12.99 mm；73～79 m為細(xì)粒砂巖，開(kāi)挖第25步，位移量相比24步開(kāi)始增大。

綜上所述，可以得出：豎井開(kāi)挖過(guò)程中在底部由于卸壓作用出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致底鼓的拉張變形。其底鼓的位移量具有一定的規(guī)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(duì)于厚度較大在井筒開(kāi)挖的過(guò)程中有存在多步開(kāi)挖的地層，若其下伏地層的硬度大于該地層，其開(kāi)挖每一步底鼓的位移量有先增大后減小的趨勢(shì)，底鼓位移量的最小值出現(xiàn)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(kāi)挖每一步底鼓的位移量有逐漸增大的趨勢(shì)。

圖5 開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖3 m對(duì)應(yīng)的徑向應(yīng)力和位移的分布云圖。結(jié)合整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的計(jì)算結(jié)果，可以看出豎井井底產(chǎn)生拉應(yīng)力集中的作用，使其產(chǎn)生隆起作用，在井壁會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，使其產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象。由于實(shí)際施工采用“邊開(kāi)挖邊支護(hù)”的方式，在對(duì)水平位移的模擬計(jì)算中，對(duì)每一步開(kāi)挖時(shí)，對(duì)之前所有的開(kāi)挖步產(chǎn)生的水平位移進(jìn)行清零。圖8表示開(kāi)挖過(guò)程中，每一步開(kāi)挖產(chǎn)生的新開(kāi)挖段側(cè)壁的最大水平位移量的變化。從圖8可以看出，豎井開(kāi)挖過(guò)程中，豎井側(cè)壁的變形也呈現(xiàn)出明顯的分層趨勢(shì)，其主要受到巖性的控制。其中泥巖層中側(cè)壁變形量最大，其次是砂質(zhì)泥巖，細(xì)粒砂巖，粉砂巖，中粒砂巖的變形量最小。在模擬開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程中，井筒側(cè)壁發(fā)生水平位移的最大值產(chǎn)生在開(kāi)挖深度24 m，值為2.48 mm，位于泥巖層；最小值產(chǎn)生在開(kāi)挖深度33 m，值為0.81 mm，位于中粒砂巖層。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)該豎井開(kāi)挖過(guò)程中，底部會(huì)有明顯的底鼓現(xiàn)象，豎井底鼓的豎直位移最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖深度約為60 m處，豎直位移最大值為12.99 mm，巖性為砂質(zhì)泥巖。最小值出現(xiàn)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(kāi)挖過(guò)程中，每一步開(kāi)挖產(chǎn)生的新開(kāi)挖段側(cè)壁的最大水平位移量在開(kāi)挖深度8～30 m范圍內(nèi)井筒側(cè)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(chǎn)生在開(kāi)挖深度33 m，值為0.81 mm，位于中粒砂巖層。

圖6 開(kāi)挖3 m三維模型水平應(yīng)力分布云圖Fig.6 Horizontal stress distribution nephogram of 3D model at the excavation depth of 3 m

圖7 開(kāi)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(kāi)挖每一段豎井側(cè)壁產(chǎn)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(jù)模擬結(jié)果，建議豎井開(kāi)挖時(shí)，控制一次掘進(jìn)量，杜絕超挖，確保及時(shí)完成支護(hù)和防治措施，減少圍巖暴露時(shí)間，初次支護(hù)質(zhì)量要嚴(yán)格控制。圍巖破碎程度對(duì)變形起關(guān)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(shí)支護(hù)措施。對(duì)泥巖和砂巖分界處和泥巖段的井壁，要提高永久支護(hù)的強(qiáng)度。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41102201)。

姚亞輝(1990—)，男，碩士研究生。

TD321

A

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