第四系松散層下豎井破裂規(guī)律的FLAC3D模擬研究

陳 維，鐘應偉

(1.湖南黃金洞礦業(yè)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(guī)律的FLAC3D模擬研究

陳 維1，鐘應偉2

(1.湖南黃金洞礦業(yè)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(xiàn)井筒破裂等地質(zhì)災害現(xiàn)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(guī)律。結(jié)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(chǎn)實際中需要對該部位進行重點支護設(shè)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(zhì)構(gòu)造主要是殘坡積物、沖洪積物。一般為沙、礫石、腐殖物沉積構(gòu)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(fā)生破裂，井筒內(nèi)開鑿的空間將會被大量砂礫涌入且瞬間淹沒，還容易引發(fā)地表大面積塌陷[1-3]。在礦山建設(shè)中，井筒穿過第四系松散層下井巷工程的建設(shè)是一個重大的技術(shù)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(shù)值模擬，用數(shù)值模擬方法分析了豎井井壁破裂變化規(guī)律。

1 工程概況

某礦區(qū)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(qū)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(zhèn)76°方位，直距23 km，交通便利。

2009年6月, 在礦區(qū)6號線附近設(shè)置1、2號探礦豎井，在礦區(qū)2號線附近設(shè)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(guān)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(fā)前，井筒已掘進至46.8 m處。豎井開拓現(xiàn)狀見圖1。

某礦礦區(qū)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(zhì)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(zhì)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(qū)開拓系統(tǒng)

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(wǎng)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(wǎng)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(jù)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(cè)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(guī)律。井筒凈直徑3 m，井筒原來的支護措施為：井口基礎(chǔ)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(jù)巖石力學實驗結(jié)果，并依據(jù)Hoek-Brown準則[4]，對巖石力學參數(shù)進行工程處理，得到表1的巖體力學計算參數(shù)。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(xiàn)較大的塑性流動，本文采用能表征拉伸狀態(tài)下和剪切狀態(tài)下破壞的摩爾-庫倫準則來進行模擬。

表1 巖體參數(shù)

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(chǔ)部分深度開挖及支護；

(3) 井口基礎(chǔ)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(wěn)狀態(tài))停止。

對于井壁是否達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)以不平衡力發(fā)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(fā)展收斂的標準，即當體系最大不平衡力與典型內(nèi)力比率小于1.0 × 10-5(默認值)時，認為不平衡力發(fā)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(chǔ)連續(xù)進行，得出圍巖應力疊加、破壞發(fā)展的進程和效果。

4 結(jié)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(jīng)達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

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(guī)律：井口基礎(chǔ)部分水平位移量較小，因為井口基礎(chǔ)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(chǔ)產(chǎn)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(nèi)部。說明井壁在表土松散層的作用下逐漸產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)無法收斂，模型的網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，表明井壁內(nèi)部的裂隙逐漸貫通，井壁失穩(wěn)產(chǎn)生較大的橫向變形，直至井壁中段破裂失穩(wěn)。同時在埋深20 m左右的井壁出現(xiàn)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(jīng)發(fā)生破壞，網(wǎng)格畸變。調(diào)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(nèi)側(cè)豎直方向均勻布置18個監(jiān)測點，記錄井壁水平位移參數(shù)。通過FLAC3D輸出各監(jiān)測點數(shù)據(jù),并導入origin進行數(shù)據(jù)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(chǔ)，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(jié) 論

依據(jù)三維數(shù)值模擬計算結(jié)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(xiàn)應力集中及較為明顯的塑性區(qū)屈服現(xiàn)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(xiàn)礦山安全生產(chǎn)。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(shè)計提供參考。

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

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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(shù)與礦山管理工作， Email:170983664@qq.com。