陳 維，鐘應(yīng)偉

(1.湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 平江縣 414507；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)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(yīng)偉2

(1.湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 平江縣 414507；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)豎井工程遇到第四系松散層時(shí)容易出現(xiàn)井筒破裂等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，以甘肅某礦探礦豎井為研究對(duì)象，利用有限差分程序FLAC3D對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖模擬，研究對(duì)該地層下開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖深度的增加呈拋物線(xiàn)變化趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)挖至45 m時(shí)，埋深約為20 m左右處的井壁為破裂部位，生產(chǎn)實(shí)際中需要對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)設(shè)計(jì)。

探礦豎井；井壁破裂；深厚第四系松散層；FLAC3D

0 引 言

第四紀(jì)沉積物在我國(guó)分布廣泛，種類(lèi)繁多，大部分陸地表面為第四紀(jì)沉積物所覆蓋。從陸地到海洋，大部分第四紀(jì)沉積物分布在相對(duì)負(fù)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(duì)于表土段較厚的松散層，在進(jìn)行豎井施工時(shí)，若井壁發(fā)生破裂，井筒內(nèi)開(kāi)鑿的空間將會(huì)被大量砂礫涌入且瞬間淹沒(méi)，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(guò)第四系松散層下井巷工程的建設(shè)是一個(gè)重大的技術(shù)難題。本文以某礦探礦豎井為研究對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D對(duì)豎井開(kāi)挖進(jìn)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(tái)阿拉善臺(tái)塊西部，屬華北地臺(tái)北緣多金屬成礦帶的西延部分。該礦區(qū)由東西兩個(gè)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(hào)線(xiàn)附近設(shè)置1、2號(hào)探礦豎井，在礦區(qū)2號(hào)線(xiàn)附近設(shè)置3號(hào)探礦豎井，1號(hào)探礦豎井井深176.10 m，于2009年10月完工。2號(hào)探礦豎井井深132.20 m，于2009年11月完工。3號(hào)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(hù)方式。2010年1月，相關(guān)工作人員進(jìn)行3號(hào)探礦豎井的掘進(jìn)砌碹工作時(shí)，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(jìn)至46.8 m處。豎井開(kāi)拓現(xiàn)狀見(jiàn)圖1。

某礦礦區(qū)鐵錳礦體長(zhǎng)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(xiàn)間，上部被第四系風(fēng)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(jiān)硬巖石。因此模擬計(jì)算主要考慮上部第四系松散層對(duì)豎井開(kāi)挖的影響。

圖1 礦區(qū)開(kāi)拓系統(tǒng)

2 模型建立

研究對(duì)象為甘肅某礦3號(hào)探礦豎井，建立模型尺寸為100 m×100 m×100 m。計(jì)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(jiǎn)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(kāi)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(lái)的支護(hù)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(hù)壁為紅磚護(hù)墻，護(hù)墻厚度0.37 m。

圖2 計(jì)算模型

根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并依據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則[4]，對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程處理，得到表1的巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)。由于地表為第四系風(fēng)成砂，在該地層達(dá)到屈服極限后，可能會(huì)出現(xiàn)較大的塑性流動(dòng)，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(kù)倫準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行模擬。

表1 巖體參數(shù)

3 計(jì)算步驟

為了真實(shí)反映井筒開(kāi)挖施工過(guò)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(shí)際施工的開(kāi)挖深度，按照開(kāi)挖順序進(jìn)行，并開(kāi)啟大變形計(jì)算。 開(kāi)挖分為個(gè)3階段：

(1) 初始地應(yīng)力場(chǎng)形成；

(2) 井口基礎(chǔ)部分深度開(kāi)挖及支護(hù)；

(3) 井口基礎(chǔ)以下采用紅磚護(hù)墻支護(hù)，以1 m的深度開(kāi)挖(模擬實(shí)際中的開(kāi)挖深度)。模擬在支護(hù)后釋放一定時(shí)步，再進(jìn)行下一個(gè)1 m的開(kāi)挖，一直開(kāi)挖至模型計(jì)算不收斂(井壁達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài))停止。

對(duì)于井壁是否達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)體系最大不平衡力與典型內(nèi)力比率小于1.0 × 10-5(默認(rèn)值)時(shí)，認(rèn)為不平衡力發(fā)展收斂[5-6]。

上述各階段的計(jì)算均按順序在前階段的開(kāi)采計(jì)算基礎(chǔ)連續(xù)進(jìn)行，得出圍巖應(yīng)力疊加、破壞發(fā)展的進(jìn)程和效果。

4 結(jié)果分析

當(dāng)開(kāi)挖至第45 m時(shí)模擬計(jì)算不收斂，圖3為模型最大不平衡力曲線(xiàn)，它表征此時(shí)井壁已經(jīng)達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 最大不平衡力曲線(xiàn)

4.1 水平位移變化過(guò)程

從圖4中可以看出，豎井在不同的開(kāi)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?yàn)榫诨A(chǔ)采用的是雙層鋼筋混凝土支護(hù),能提供較大的支護(hù)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?yàn)榈谒南邓缮拥牧魉苄耘c特殊性，隨著開(kāi)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(shuō)明井壁在表土松散層的作用下逐漸產(chǎn)生變形。

在開(kāi)挖深度為10 m時(shí)，豎井井壁的最大水平位移為2.5 mm；當(dāng)挖至20 m時(shí)，井壁的最大水平位移為6 mm；當(dāng)開(kāi)挖深度為30 m時(shí)，豎井井壁的最大水平位移已增加至60 mm，且因?yàn)槟M過(guò)程中開(kāi)啟了大變形，中間段井壁出現(xiàn)向中間收縮的趨勢(shì)；當(dāng)挖至45 m深處時(shí)，模型最大不平衡力計(jì)算已經(jīng)無(wú)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(shí)在埋深20 m左右的井壁出現(xiàn)相對(duì)較大的水平位移，說(shuō)明該處為探礦豎井井壁的破裂部位。

圖4各開(kāi)挖深度的水平位圖移云圖

4.2 水平位移變化過(guò)程

通過(guò)模擬計(jì)算可知,當(dāng)豎井開(kāi)挖至第45 m時(shí)計(jì)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(kāi)挖深度43 m時(shí)計(jì)算模型。模擬過(guò)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄井壁水平位移參數(shù)。通過(guò)FLAC3D輸出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),并導(dǎo)入origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到圖5所示的水平位移-深度擬合曲線(xiàn)。

圖5 水平位移-深度擬合曲線(xiàn)

從該曲線(xiàn)可以看出，在埋深5 m處井壁水平位移基本上變化不大。因?yàn)榈乇頊\部井壁受到的地壓并不大，同時(shí)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(hù)下水平位移隨埋深的增加有變大的趨勢(shì)。在20 m左右井壁水平位移達(dá)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(jì)算結(jié)果，當(dāng)遇到較厚的第四系松散層時(shí)，豎井會(huì)隨開(kāi)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(xiàn)形式(先增大后減小)的變化趨勢(shì)，約在松散層段中上部井壁會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中及較為明顯的塑性區(qū)屈服現(xiàn)象。針對(duì)該礦的實(shí)際情況，在豎井施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該部位的支護(hù)，以提高井壁薄弱部位的承載能力，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)。同時(shí)該研究成果可為同類(lèi)礦山位于松散層下豎井的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

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2013-10-21)

陳 維(1986-)，男，湖南岳陽(yáng)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。