基于遍布節(jié)理模型的豎井工程破壞機理研究

翟淑花，高 謙，丁桂伶

（1.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120；2.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

基于遍布節(jié)理模型的豎井工程破壞機理研究

翟淑花1，高 謙2，丁桂伶1

（1.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120；2.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

為揭示金川二礦區(qū)14行風(fēng)井的破壞機理，本文首先根據(jù)井筒工程地質(zhì)條件，建立了集1#礦體和14行風(fēng)井在內(nèi)的三維數(shù)值模型；然后，采用遍布節(jié)理模型分析了采動對14行風(fēng)井穩(wěn)定性的影響，從井壁位移和應(yīng)力方面探索了金川二礦區(qū)14行風(fēng)井的破壞位置和破壞時間。結(jié)果表明，導(dǎo)致金川二礦區(qū)14行風(fēng)井破壞的直接原因為采動引起豎井圍巖沿弱面的滑移，除此之外，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和低強度的支護形式也是造成14行風(fēng)井破壞的原因，為14行風(fēng)井返修加固提供依據(jù)。

遍布節(jié)理模型；巖體移動；破壞機理；安全系數(shù)

0 引言

豎井是礦區(qū)建設(shè)中的咽喉工程，其穩(wěn)定性不僅關(guān)乎工人的生命安全，還與礦山投資成敗息息相關(guān)，現(xiàn)有調(diào)查資料的統(tǒng)計結(jié)果表明，迄今為止我國已有十多個大中型礦山的豎井井筒受開采影響而產(chǎn)生變形和破壞，帶來了巨大的經(jīng)濟損失。為此，許多科研工作者借助于理論分析、數(shù)值模擬、相似試驗?zāi)M、原位測試以及統(tǒng)計理論等分析方法［1～16］對井筒的破壞機理進(jìn)行了研究和探索，并取得了卓有成效的成績，但這些成果大多以煤礦厚沖積層中的豎井為研究對象，且提出了得到廣泛認(rèn)可的厚沖積層沉降引起井壁豎直附加應(yīng)力增加的研究理論。但針對金屬礦山礦井破壞機理的研究甚少，特別是采動影響下井筒變形破壞機理。

金川是我國最大的鎳生成基地和鉑族金屬提煉中心，是集采、選、冶和金屬加工于一體的特大型有色金屬聯(lián)合企業(yè)。金川礦山地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，礦巖破碎，巖體穩(wěn)定性極差，在全國范圍內(nèi)，屬于極難開采的礦山之一。金川二礦區(qū)采用的是充填法采礦，根據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所為期5年半的GPS監(jiān)測結(jié)果顯示［17］，金川二礦區(qū)地表巖體移動非常嚴(yán)重，地表沉降最大值已經(jīng)達(dá)到889mm，并表現(xiàn)出極大的不均勻性和不對稱性，這給二礦區(qū)內(nèi)的豎井工程的穩(wěn)定性帶來了極大的威脅。2005年3月9日至22日金川礦區(qū)14行風(fēng)井突然發(fā)生冒落事故，致使650m井筒被充填，距地表僅存170m井筒，造成工程不能使用，給金川二礦區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，開展14行風(fēng)井的破壞機理研究既具有理論意義也具有經(jīng)濟價值。

1 14行風(fēng)井工程地質(zhì)條件及破壞形式

14行風(fēng)井位于14行勘探線的下盤，屬二礦區(qū)礦山改擴建工程，是二礦區(qū)專用回風(fēng)井。承擔(dān)著二礦區(qū)1150m、1000m兩個主運輸水平，14個生產(chǎn)盤區(qū)的回風(fēng)任務(wù)。14行風(fēng)井工程穿過的工程圍巖有超基性巖、花崗巖、大理巖、混合巖等，局部巖體裂隙及小斷裂構(gòu)造發(fā)育，在井筒底部1000m中段、距井筒下底約90m處有一斷層F16出露，該段井筒工程地質(zhì)條件較差，詳見圖1。

二礦區(qū)14行風(fēng)井破壞后，通過對上部尚未填實部分井筒進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)井筒破壞呈現(xiàn)以下幾種主要特征：

（1）井壁錯動開裂

二礦區(qū)14行風(fēng)井井壁除了有環(huán)狀裂縫外，還具有豎向裂縫和X形交叉裂縫。裂縫主要出現(xiàn)在井壁西北及東南幫，以豎向裂縫為主。

圖1 14行風(fēng)井井筒工程地質(zhì)剖面示意圖

（2）片冒

片冒也是14行風(fēng)井井壁圍巖變形破壞中常見的一種破壞形式，有的片幫比較輕微，僅在井壁出現(xiàn)貫通性的縱向裂縫，并有輕微的掉塊；有的則比較嚴(yán)重，混凝土支護破裂并出現(xiàn)離層，與圍巖之間形成空腔，根據(jù)混凝土破壞特征來看，它們的破壞機制為剪切破裂或拉張破裂。

（3）冒落物沖擊井壁破壞

在井下大約170m處，在南東40°左右位置井壁發(fā)現(xiàn)了一個窟窿，可能為對面井壁冒落物掉下所砸壞，而且該處堆積的冒落物東南高，距井口約171m，西北低，距井口約173m，因此也可以初步判定片冒主要發(fā)生在井壁的西北幫。井壁具體破壞情況如圖2所示。

圖2 二礦區(qū)14行風(fēng)井井壁變形破壞照片

2 14行風(fēng)井變形破壞仿真分析

由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要建立完全反映巖體結(jié)構(gòu)特征的模型是不現(xiàn)實的，因此對具體工程而言必須進(jìn)行適當(dāng)簡化，但同時必須認(rèn)識到巖體強度由結(jié)構(gòu)面強度控制。鑒于14行風(fēng)井的實際地質(zhì)情況的復(fù)雜性和三維建模的難度，本文論文采用FLAC3D自帶的遍布節(jié)理模型來模擬弱面對14行風(fēng)井穩(wěn)定性的影響，遍布節(jié)理模型實際上是莫爾-庫侖模型(Mohr-Cou lom b m odel)的擴展，即在莫爾-庫侖體中增加節(jié)理面，此節(jié)理面也服從莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。該模型同時考慮巖體和節(jié)理的物理力學(xué)屬性，破壞可能首先出現(xiàn)在巖體中或沿節(jié)理面，或二者同時破壞，其主要取決于巖體應(yīng)力狀態(tài)、節(jié)理產(chǎn)狀、巖體及節(jié)理力學(xué)性質(zhì)等。

2 .1 數(shù)值模型的建立

（1）遍布節(jié)理模型

遍布節(jié)理模型中巖體適用于莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，與節(jié)理面相關(guān)的屈服準(zhǔn)則及其數(shù)值模擬計算的實現(xiàn)如下：

節(jié)理面方位和應(yīng)力狀態(tài)可由局部坐標(biāo)表示，廣義坐標(biāo)和局部坐標(biāo)下應(yīng)力關(guān)系可由式（1）表示：

式中， θ為節(jié)理傾角

相應(yīng)地，局部坐標(biāo)下彈性應(yīng)力和應(yīng)變增量可由式（2）表示：

式中，K為體積模量；G為剪切模量

根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則，局部坐標(biāo)下屈服包絡(luò)線AB可表示為 fs= 0；拉伸破壞包絡(luò)線BC可表示為 ft= 0；且有以下函數(shù)式存在：

式中，jc，jφ以及jtσ 分別表示節(jié)理面的凝聚力、內(nèi)摩擦角及抗拉強度。當(dāng)巖體應(yīng)力處于穩(wěn)定區(qū)域時，巖體呈現(xiàn)彈性狀態(tài)，不需要進(jìn)行塑性修正，而進(jìn)入屈服區(qū)域時，根據(jù)關(guān)聯(lián)流動法則，需進(jìn)行修正。局部坐標(biāo)與廣義坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后剪切破壞修正后的應(yīng)力增量關(guān)系可表示為式（4）：

拉伸破壞(BC 段)修正后的應(yīng)力增量關(guān)系可表示為式（5）：

（2）計算模型的建立

金川1#礦體是目前二礦區(qū)的主采礦體，礦體長1.6km，大寬度為200m，平均寬98m，延伸千余米。為研究采動對14行風(fēng)井的影響，建立了包括1#礦體和14行風(fēng)井在內(nèi)的真三維模型。三維數(shù)值模型見圖3，模型尺寸為3600m×4000m×1700m，根據(jù)研究需要對14行附近圍巖網(wǎng)格進(jìn)行加密，且采用映射型網(wǎng)格，單元總數(shù)140085，節(jié)點總數(shù)31388。模型x、y、z軸坐標(biāo)范圍分別為（-1200，2400），（5000，9000），（0，1700）。計算中，采用實體單元模擬混凝土支護，混凝土強度等級為C30，巖體參數(shù)采用GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析所得到的等效巖體參數(shù)，本構(gòu)關(guān)系取為理想彈塑性，巖體及礦體采用莫爾-庫侖模型，鑒于14行風(fēng)井所穿巖層節(jié)理分布較為密布，因此，井筒周圍一定范圍內(nèi)的巖體采用遍布節(jié)理模型(ubiquitous-join tm odel)進(jìn)行模擬（表1）。C30混凝土襯砌采用彈性模型。

表1 遍布節(jié)理模型參數(shù)

圖3 金川二礦區(qū)1號礦體及14行風(fēng)井三維透視圖

（3）計算方法

計算分3步進(jìn)行：首先計算在自重體積條件下使模型達(dá)到平衡狀態(tài)，獲得該條件下的初始應(yīng)力場；在此基礎(chǔ)上將位移清零，按照二礦區(qū)實際采礦計劃（表2）進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)開挖礦體前后應(yīng)力場及位移場的變化，來分析地下開采對豎井變形、破壞的影響。

2.2 模擬結(jié)果分析

（1）變形分析

圖4為井筒沉降變形隨回采過程的變化曲線，揭示了井筒沉降變化規(guī)律。由于井深197m、標(biāo)高為1520m附近的圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，因此，此段井壁沉降變形曲線在此發(fā)生突變，在靠近采空區(qū)標(biāo)高1350m有個很緩的轉(zhuǎn)折。其次，在數(shù)值上，單中段回采時，不同回采步（1、2、3、4步）各回采步沉降差不是很大，雙中段開采（5、6步）較單中段開采時沉降數(shù)值變化較大，特別是第6步回采時，沿井壁軸線沉降曲線出現(xiàn)了大的變化。因此，可以初步判斷標(biāo)高1520m處出現(xiàn)的沉降突變點很可能就是井壁最先破壞的位置，這與現(xiàn)場的井筒僅剩余170m情況相吻合。

（2）基于單元最小安全系數(shù)的井筒局部失穩(wěn)分析

巖體強度破壞理論是判斷巖體失穩(wěn)的重要判據(jù)，即在低約束壓力條件下，當(dāng)巖體內(nèi)某斜截面的剪應(yīng)力超過破壞理論規(guī)定的滑動界限范圍時，巖體就發(fā)生剪切極限破壞。對于巖土介質(zhì)，Moh r-Cou lom b服條件是工程界應(yīng)用最為廣泛的屈服條件之一，其主應(yīng)力表示形式以及安全系數(shù)sF可以表示為：

表2 二礦區(qū)開采順序表

其中，1σ為最大主應(yīng)力，3σ為最小主應(yīng)力，c為內(nèi)聚力， φ為內(nèi)摩擦角。

如果巖體中存在節(jié)理面，則對應(yīng)于節(jié)理面破壞，其主應(yīng)力表示形式以及安全系數(shù)sF為：

圖4 井壁沉降隨礦體開采過程的變化曲線

式中，1σ為最大主應(yīng)力，3σ為最小主應(yīng)力，jC是節(jié)理面粘結(jié)強度，jφ是節(jié)理面摩擦角， β為節(jié)理面傾角。

當(dāng) Fs＞1表示未破壞（屈服面內(nèi)部）； Fs＜1表示已破壞（屈服面外部）； Fs=1表示處于臨界狀態(tài)（屈服面上部）。參照文獻(xiàn)［18］中的FLAC3D安全系數(shù)的FISH語言編寫方法，若巖體中任一點的應(yīng)力狀態(tài)滿足屈服條件時，巖體在該點發(fā)生破壞。在進(jìn)行強度破壞判斷時，采用抗拉強度準(zhǔn)則和抗剪強度準(zhǔn)則，拉應(yīng)力當(dāng)時，即認(rèn)為巖體發(fā)生拉斷破壞；剪應(yīng)力區(qū)：當(dāng)單元的局部安全系數(shù)sF＜1時，即判斷該單元發(fā)生剪切破壞。采用該方法給出第6步回采時14行風(fēng)井沿井筒標(biāo)高（1000～1700m）最小安全系數(shù)變化曲線，見圖5。

圖5 井筒安全系數(shù)隨采礦步驟變化圖

由圖5可知，當(dāng)回采至第6步時，井筒（標(biāo)高1520～1480m）局部安全系數(shù)為0.984小于1，時間大約為2005年，這與風(fēng)井破壞的時間相吻合，同時，在靠近采空區(qū)段，安全系數(shù)卻呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這是由于開采引起卸荷作用對井筒起了積極作用，這也是14行風(fēng)井的破壞沒有發(fā)生在1150m段而是發(fā)生在距離井口178m的原因。由此可見，14風(fēng)井井筒的破壞完全是由于1520～1480m處的節(jié)理受采動影響發(fā)生了剪切破壞造成的，這一點與現(xiàn)場觀測情況相吻合。

3 結(jié)論

（1）建立了集14行風(fēng)井和大型礦體為一體的三維幾何模型，采用遍布節(jié)理力學(xué)模型研究了井周密集節(jié)理對井筒穩(wěn)定性的影響，揭示了采動影響下14行風(fēng)井的破壞機理，結(jié)果表明，隨開采的不斷深入，14行風(fēng)井井壁變形在1520～1480m段位移發(fā)生突變，當(dāng)開采水平為1190～1170m和1130～1110m時，其局部安全系數(shù)降為0.984，井筒破壞，這與井筒實際的破壞位置和破壞時間相吻合，說明本次模擬的可靠性。

（2）通過分析可知，因14行風(fēng)井局部節(jié)理密集，在采動的不斷擾動下，14行風(fēng)井圍巖沿弱面（斷裂面、軟弱層面）發(fā)生了剪切破壞，是造成14行風(fēng)井失穩(wěn)垮塌的直接原因。除此之外，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境與條件，低強度的支護型式也是造成14行風(fēng)井失穩(wěn)垮塌的原因。

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Research on the Failing Mechanics of Shaft Engineering Based on the Ubiquitous
Joint M odel

ZHAI Shuhua1，GAO Qian2，DING Guiling1

(1. Beijing institution of Geology, Beijing 100120；2.State Key Laboratory of High-effi cient M ining and Safety of Metal M ines, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083)

In order to show the failing mechanics of No.14 ventilation shaft in Jinchuan m ine district, fi rstly, according to the geological conditions of shaft, three-dimension model was established to integrate No. 1 ore body and No.14 ventilation shaft. Then, the effect of m ining on the stability of No.14 ventilation shaft was evaluated numerically based on the ubiquitous joint model, the displacement and stress distribution of shaft were obtained to predict the failing location and time, which shows that the direct reason of failure of No.14 ventilation shaft is the sliding of surrounding rock mass induced by m ining. Besides, complex geological conditions and low-strength supporting type are also the factors causing the damage of shaft, which offer some basis for the repairing of shaft.

Ubiquitous joint model; Rock mass movement; Failing mechanics; Safety factor

TD265.3+3

A

1007-1903（2015）01-0061-06

翟淑花（1979- ），女，博士，高級工程師，主要從事巖土工程可靠性研究。