陈 维，钟应伟

(1.湖南黄金洞矿业有限责任公司， 湖南 平江县 414507；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

第四系松散层下竖井破裂规律的FLAC3D模拟研究

陈 维1，钟应伟2

(1.湖南黄金洞矿业有限责任公司， 湖南 平江县 414507；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

针对竖井工程遇到第四系松散层时容易出现井筒破裂等地质灾害现象，以甘肃某矿探矿竖井为研究对象，利用有限差分程序FLAC3D对其进行开挖模拟，研究对该地层下开挖过程中井壁变形破裂规律。结果表明，井壁横向变形量随开挖深度的增加呈抛物线变化趋势，当开挖至45 m时，埋深约为20 m左右处的井壁为破裂部位，生产实际中需要对该部位进行重点支护设计。

探矿竖井；井壁破裂；深厚第四系松散层；FLAC3D

0 引 言

第四纪沉积物在我国分布广泛，种类繁多，大部分陆地表面为第四纪沉积物所覆盖。从陆地到海洋，大部分第四纪沉积物分布在相对负地形地带。第四系地质构造主要是残坡积物、冲洪积物。一般为沙、砾石、腐殖物沉积构成。其中松散层主要含砂砾及松散层。对于表土段较厚的松散层，在进行竖井施工时，若井壁发生破裂，井筒内开凿的空间将会被大量砂砾涌入且瞬间淹没，还容易引发地表大面积塌陷[1-3]。在矿山建设中，井筒穿过第四系松散层下井巷工程的建设是一个重大的技术难题。本文以某矿探矿竖井为研究对象，运用FLAC3D对竖井开挖进行数值模拟，用数值模拟方法分析了竖井井壁破裂变化规律。

1 工程概况

某矿区位于华北地台阿拉善台块西部，属华北地台北缘多金属成矿带的西延部分。该矿区由东西两个矿段组成，二者相距5 km，属甘肃省张掖市所辖。西矿段位于临泽县板桥镇76°方位，直距23 km，交通便利。

2009年6月, 在矿区6号线附近设置1、2号探矿竖井，在矿区2号线附近设置3号探矿竖井，1号探矿竖井井深176.10 m，于2009年10月完工。2号探矿竖井井深132.20 m，于2009年11月完工。3号探矿竖井井深90 m，净断面7.1 m2，井筒采用45 cm×24 cm水泥圈梁锚固与普通砖块间隔砌碹的支护方式。2010年1月，相关工作人员进行3号探矿竖井的掘进砌碹工作时，井筒自地面17 m以下冒落垮塌，17 m以下井筒全部被填埋，至事发前，井筒已掘进至46.8 m处。竖井开拓现状见图1。

某矿矿区铁锰矿体长125～700 m，厚度2.68～17.39 m，倾斜延深>70.5～392 m。分布于西矿段0～16勘查线间，上部被第四系风成沙即粉沙、粉沙质黄土及白垩系砂砾岩所覆盖，属于第四系松散层范畴，覆盖厚度18.39～75.04 m。下部主要为二云石英片岩、白云质大理岩、矽卡岩等坚硬岩石。因此模拟计算主要考虑上部第四系松散层对竖井开挖的影响。

图1 矿区开拓系统

2 模型建立

研究对象为甘肃某矿3号探矿竖井，建立模型尺寸为100 m×100 m×100 m。计算模型及网格划分如图2所示。井筒建立在模型中央，自地表延伸至基岩以下50 m，网格按照“中间密两边疏”分布。由于地表平缓起伏不大，基岩倾角近水平分布，模型简化不考虑矿体地表起伏，以及忽略基岩倾角的影响。根据该矿松散层埋深范围取平均值选取第四系覆盖层深度为50 m，竖井采用圆柱体，边界条件为下部固定约束，左右两侧法向约束。以分步开挖的形式模拟井壁在松散层中的变形破坏规律。井筒净直径3 m，井筒原来的支护措施为：井口基础厚度0.4 m，高度2 m，双层钢筋混凝土浇筑；竖井护壁为红砖护墙，护墙厚度0.37 m。

图2 计算模型

根据岩石力学实验结果，并依据Hoek-Brown准则[4]，对岩石力学参数进行工程处理，得到表1的岩体力学计算参数。由于地表为第四系风成砂，在该地层达到屈服极限后，可能会出现较大的塑性流动，本文采用能表征拉伸状态下和剪切状态下破坏的摩尔-库伦准则来进行模拟。

表1 岩体参数

3 计算步骤

为了真实反映井筒开挖施工过程中井壁所受到的影响，更好的研究井筒处于特殊地层下的变形和破坏情况，模拟参照实际施工的开挖深度，按照开挖顺序进行，并开启大变形计算。 开挖分为个3阶段：

(1) 初始地应力场形成；

(2) 井口基础部分深度开挖及支护；

(3) 井口基础以下采用红砖护墙支护，以1 m的深度开挖(模拟实际中的开挖深度)。模拟在支护后释放一定时步，再进行下一个1 m的开挖，一直开挖至模型计算不收敛(井壁达到临界失稳状态)停止。

对于井壁是否达到临界失稳状态以不平衡力发展是否收敛作为判别标准。以不平衡力比率的限值作为最大不平衡力发展收敛的标准，即当体系最大不平衡力与典型内力比率小于1.0 × 10-5(默认值)时，认为不平衡力发展收敛[5-6]。

上述各阶段的计算均按顺序在前阶段的开采计算基础连续进行，得出围岩应力叠加、破坏发展的进程和效果。

4 结果分析

当开挖至第45 m时模拟计算不收敛，图3为模型最大不平衡力曲线，它表征此时井壁已经达到临界失稳状态。

图3 最大不平衡力曲线

4.1 水平位移变化过程

从图4中可以看出，竖井在不同的开挖深度下有以下共同规律：井口基础部分水平位移量较小，因为井口基础采用的是双层钢筋混凝土支护,能提供较大的支护承载力，且地层压力较小，因而井口基础产生的水平位移较小。因为第四系松散层的流塑性与特殊性，随着开挖深度的增加，井筒的水平位移逐渐增加，水平位移的方向均指向井筒内部。说明井壁在表土松散层的作用下逐渐产生变形。

在开挖深度为10 m时，竖井井壁的最大水平位移为2.5 mm；当挖至20 m时，井壁的最大水平位移为6 mm；当开挖深度为30 m时，竖井井壁的最大水平位移已增加至60 mm，且因为模拟过程中开启了大变形，中间段井壁出现向中间收缩的趋势；当挖至45 m深处时，模型最大不平衡力计算已经无法收敛，模型的网格产生畸变，表明井壁内部的裂隙逐渐贯通，井壁失稳产生较大的横向变形，直至井壁中段破裂失稳。同时在埋深20 m左右的井壁出现相对较大的水平位移，说明该处为探矿竖井井壁的破裂部位。

图4各开挖深度的水平位图移云图

4.2 水平位移变化过程

通过模拟计算可知,当竖井开挖至第45 m时计算不收敛，模型已经发生破坏，网格畸变。调入井壁破坏前开挖深度43 m时计算模型。模拟过程中在表土松散层段井壁内侧竖直方向均匀布置18个监测点，记录井壁水平位移参数。通过FLAC3D输出各监测点数据,并导入origin进行数据拟合，得到图5所示的水平位移-深度拟合曲线。

图5 水平位移-深度拟合曲线

从该曲线可以看出，在埋深5 m处井壁水平位移基本上变化不大。因为地表浅部井壁受到的地压并不大，同时井口部位井壁为钢筋混凝土基础，可以有效防止该部位井壁的变形。在埋深10 m以下，竖井在原支护下水平位移随埋深的增加有变大的趋势。在20 m左右井壁水平位移达到峰值,最大位移量约为60 mm。在埋深20 m以下井壁水平位移随埋深增加而减小。

5 结 论

依据三维数值模拟计算结果，当遇到较厚的第四系松散层时，竖井会随开挖深度增加，井壁横向位移变化基本上遵循随埋深呈似抛物线形式(先增大后减小)的变化趋势，约在松散层段中上部井壁会出现应力集中及较为明显的塑性区屈服现象。针对该矿的实际情况，在竖井施工过程中应加强对该部位的支护，以提高井壁薄弱部位的承载能力，实现矿山安全生产。同时该研究成果可为同类矿山位于松散层下竖井的支护设计提供参考。

[1] 孟昭忠,陈忠年,邓 磊.东荣二矿副井井筒冻结段井壁破裂治理[J].煤炭科技,2010,29(7):66-67.

[2] 武志高.井巷工程中流沙层治理方法的探讨[J].太原科技,2008(11):68-70.

[3] 史海刚.立井井筒采用普通法通过特厚流砂层施工技术[J].科技信息,2010(21):1002-1003.

[4] 钟应伟,万 文,赵延林,等.瓮福磷矿矿柱安全留设尺寸确定与现场监测[J].矿业工程研究,2012,27(3)28-33.

[5] 赵延林,吴启红,王卫军,等.基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法及应用[J].岩石力学与工程学报,2010,29(7):1424-1434.

[6] 周小平,黄煜镔,丁志诚.考虑中间主应力的太沙基地基极限承载力公式[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1554-1556.

2013-10-21)

陈 维(1986-)，男，湖南岳阳人，助理工程师，主要从事采矿技术与矿山管理工作， Email:170983664@qq.com。