楊志平（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

基于同濟(jì)曙光軟件的康克拉銅礦VS3B井有限元分析

楊志平（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

通過用同濟(jì)曙光軟件對VS3B井井筒三個(gè)不同深度位置的有限元分析，給出了單元應(yīng)力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖，并對結(jié)果進(jìn)行分析對比，提出了指導(dǎo)施工的意見。

井筒支護(hù)；圍巖應(yīng)力；有限元分析；同濟(jì)曙光

引言

贊比亞康克拉銅礦KDMP01B[1]項(xiàng)目，由中色建設(shè)集團(tuán)有限公司總承包，中國瑞林工程技術(shù)有限公司（原南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院）設(shè)計(jì)、中都國際（贊比亞）有限公司施工及安裝。項(xiàng)目建成后礦山采選能力由2Mt/a增加到6Mt/a。

其中豎井工程的VS3B井，需經(jīng)過井筒刷大加深改造后，功能為通風(fēng)兼大件整體下放。

1 設(shè)計(jì)條件

基本地震 （OBE），采用 0.05g。VS3B井井口海拔1300.805m，該井原為從地表至625mL的進(jìn)風(fēng)井，井內(nèi)和地表沒有安裝任何設(shè)施。已有9條聯(lián)絡(luò)巷道，分別于160mL、220mL、280mL、345mL、410mL、470mL、480mL、590mL和625mL。已有鉆孔深度為900m的勘察資料，除地表至30m深為頁巖外，主要為石英巖。其次為頁巖、礫巖、砂巖。

設(shè)計(jì)要求將現(xiàn)有的VS3B井由φ5.0m直徑井筒刷大為φ7.4m，深度從地表至590m。VS3B井在480mL、690mL連接處設(shè)置下放設(shè)備進(jìn)出平臺(tái)。下放設(shè)備包括鏟運(yùn)機(jī)ST1020甚至尺寸更大些的設(shè)備，并且要求設(shè)備不解體進(jìn)行整體下放。

2 地壓計(jì)算

側(cè)壓計(jì)算，GB 50384-2007第6.1.3條計(jì)算[2]，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)γG=1.2。按不均勻側(cè)壓力考慮井壁所受荷載，不均勻系數(shù)K=1.2。在井筒深度100m以內(nèi)的ⅣⅤ級圍巖段，在設(shè)計(jì)地壓內(nèi)考慮水壓的作用。VS3B井設(shè)計(jì)地壓的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 VS3B井設(shè)計(jì)地壓

3 有限元分析

軟件采用上海同巖土木工程科技有限公司開發(fā)的同濟(jì)曙光巖土及地下工程設(shè)計(jì)與施工分析軟件GeoFBA4.0（Build 200）[3]。井壁擬采用C20混凝土進(jìn)行澆灌。

3.1 計(jì)算結(jié)果1

3.1.1 條 件

計(jì)算點(diǎn)井筒深度：121m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護(hù)：厚度：400mm，混凝土。

錨桿：HRB335 φ16mm，L2.0m@1500mm。

設(shè)計(jì)側(cè)壓1（Y軸）：2.530MPa。

設(shè)計(jì)側(cè)壓2（Y軸）：2.109MPa。

圍巖級別：Ⅳ級。

3.1.2 計(jì)算模型圖

模型見圖1計(jì)算模型圖。

圖1 計(jì)算模型圖

3.1.3 有限元控制信息

計(jì)算標(biāo)題：

問題類型：平面應(yīng)變；

本構(gòu)模型：線彈性；

屈服準(zhǔn)則：德魯克-普拉格準(zhǔn)則；

最大迭代次數(shù)：20；

單元應(yīng)力釋放方法：mana法；

接觸面單元模型：線彈性理想塑性；

反分析計(jì)算方法：單純形法；

構(gòu)造應(yīng)力：無；

自重應(yīng)力：無；

自重應(yīng)力計(jì)算方法：按有限元計(jì)算；

地下水位坐標(biāo)：0m；

地下水比重：-10kN/m3。

3.1.4 材 料

共5個(gè)材料：

材料1：平面材料，各向同性體，E=0kPa，μ=0，γ=0kN/m3，C=0kPa，φ=0°，Rt=0kPa，K0=0；

材料2：桿材料，桿，E=0kPa，A=0m2，γ=0kN/m3；

材料3：節(jié)理材料，接觸元（單面），Ks=0kN/m，KN=0kN/m，γ=0kN/m3，C=0kPa，φ=0°，Vm=0m，Rt=0kPa，Rf=0，χ1=0；

材料4：Ⅳ級圍巖各向同性，各向同性體，E=3.65e+ 006kPa，μ=0.325，γ=-23.5kN/m3，C=450kPa，φ=33°，Rt= 450kPa，K0=0；

材料5：模注混凝土C20各向同性，各向同性體，E=2.55e+ 007kPa，μ=0.167，γ=-24kN/m3，C=1100kPa，φ=58.6°，Rt= 1100kPa，K0=0。

結(jié)點(diǎn)位移見圖2。

圖2 位移矢量圖

單元應(yīng)力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖3～4。

圖3 σ1

圖4 σ3

3.2 計(jì)算結(jié)果2

條件：

計(jì)算點(diǎn)井筒深度：189m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護(hù)：厚度：300mm，混凝土。

錨桿：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

設(shè)計(jì)側(cè)壓1（Y軸）：1.160MPa。

設(shè)計(jì)側(cè)壓2（Y軸）：0.967MPa。

圍巖級別：Ⅲ級。

（計(jì)算模型圖等略，下同）

3.3 計(jì)算結(jié)果3

條件：

計(jì)算點(diǎn)井筒深度：600m。

井筒凈直徑：φ7.4m。

混凝土支護(hù)：厚度：300mm，混凝土。

錨桿：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

設(shè)計(jì)側(cè)壓1（Y軸）：3.008MPa。

設(shè)計(jì)側(cè)壓2（Y軸）：2.507MPa。

圍巖級別：Ⅰ級。

4 結(jié)果

VS3B井有限元分析結(jié)果見圖5，圖5中僅列出絕對值最大數(shù)進(jìn)行精煉。因?yàn)?組分析混凝土井壁均沒有出現(xiàn)屈服區(qū)，故未列入。

圖5 VS3B井有限元分析結(jié)果

經(jīng)過有限元分析計(jì)算，可知井筒支護(hù)滿足設(shè)計(jì)要求，并對施工提出如下幾點(diǎn)建議：

（1）由于新鮮基巖埋藏較深，約在深140m左右，圍巖屈服厚度約在0.5～2.5m的環(huán)行帶內(nèi)，故錨桿對圍巖的加固作用顯得較為重要，應(yīng)及時(shí)施作。

（2）掘進(jìn)時(shí)應(yīng)預(yù)防片幫等現(xiàn)象發(fā)生，對于含水層地帶，尤其局部風(fēng)化且含高嶺土的地層，可采用小導(dǎo)管注漿或超前預(yù)支護(hù)錨桿，改善圍巖條件，以免高嶺土遇水膨脹及水壓帶來的井壁側(cè)壓急劇增加。

（3）雖然混凝土井壁均沒有出現(xiàn)屈服區(qū)，在施工中應(yīng)避免井壁蜂窩、麻面、集中漏水等情況，以免圍巖屈服區(qū)內(nèi)巖石被流失，進(jìn)而影響到圍巖應(yīng)力重新分配。

（4）井頸施工時(shí)，應(yīng)盡量避開12月至次年4月的雨季。

由于各方努力，VS3B井已經(jīng)建成并具備了設(shè)計(jì)預(yù)期的通風(fēng)及大件下放功能，其所屬的贊比亞康克拉銅礦項(xiàng)目也榮獲2010～2011年度國家優(yōu)質(zhì)工程銀質(zhì)獎(jiǎng)。

5 結(jié)語

綜合分析可知，該井適合普通鉆爆法施工，支護(hù)參數(shù)：水泥砂漿錨桿，直徑16mm，L=2m，HRB335鋼筋，間距1.5m× 1.5m，澆灌C20混凝土。

雖然用薄壁、厚壁桶公式可進(jìn)行井壁混凝土厚度計(jì)算并簡單易行，但不如有限元分析的云圖表達(dá)精準(zhǔn)細(xì)致，設(shè)計(jì)實(shí)踐中宜互相佐證以保證結(jié)構(gòu)安全。

[1]PLC K C M.Konkola Copper Mines Plc[EB].（2016，11）[2016，11].

[2]中國煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50384-2007）[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2007.

[3]上海同巖土木工程科技股份有限公司.同濟(jì)曙光巖土及地下工程設(shè)計(jì)與施工分析軟件V4.0[CP].2007.

TD350.1

A

2095-2066（2016）33-0095-02

2016-11-11

楊志平（1957-），男，高級工程師，主要從事礦井建設(shè)工程設(shè)計(jì)工作。