基于遍布节理模型的竖井工程破坏机理研究

翟淑花，高 谦，丁桂伶

（1.北京市地质研究所，北京 100120；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

基于遍布节理模型的竖井工程破坏机理研究

翟淑花1，高 谦2，丁桂伶1

（1.北京市地质研究所，北京 100120；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

为揭示金川二矿区14行风井的破坏机理，本文首先根据井筒工程地质条件，建立了集1#矿体和14行风井在内的三维数值模型；然后，采用遍布节理模型分析了采动对14行风井稳定性的影响，从井壁位移和应力方面探索了金川二矿区14行风井的破坏位置和破坏时间。结果表明，导致金川二矿区14行风井破坏的直接原因为采动引起竖井围岩沿弱面的滑移，除此之外，复杂的工程地质条件和低强度的支护形式也是造成14行风井破坏的原因，为14行风井返修加固提供依据。

遍布节理模型；岩体移动；破坏机理；安全系数

0 引言

竖井是矿区建设中的咽喉工程，其稳定性不仅关乎工人的生命安全，还与矿山投资成败息息相关，现有调查资料的统计结果表明，迄今为止我国已有十多个大中型矿山的竖井井筒受开采影响而产生变形和破坏，带来了巨大的经济损失。为此，许多科研工作者借助于理论分析、数值模拟、相似试验模拟、原位测试以及统计理论等分析方法［1～16］对井筒的破坏机理进行了研究和探索，并取得了卓有成效的成绩，但这些成果大多以煤矿厚冲积层中的竖井为研究对象，且提出了得到广泛认可的厚冲积层沉降引起井壁竖直附加应力增加的研究理论。但针对金属矿山矿井破坏机理的研究甚少，特别是采动影响下井筒变形破坏机理。

金川是我国最大的镍生成基地和铂族金属提炼中心，是集采、选、冶和金属加工于一体的特大型有色金属联合企业。金川矿山地质条件复杂，构造发育，矿岩破碎，岩体稳定性极差，在全国范围内，属于极难开采的矿山之一。金川二矿区采用的是充填法采矿，根据中国科学院地质与地球物理研究所为期5年半的GPS监测结果显示［17］，金川二矿区地表岩体移动非常严重，地表沉降最大值已经达到889mm，并表现出极大的不均匀性和不对称性，这给二矿区内的竖井工程的稳定性带来了极大的威胁。2005年3月9日至22日金川矿区14行风井突然发生冒落事故，致使650m井筒被充填，距地表仅存170m井筒，造成工程不能使用，给金川二矿区带来巨大的经济损失。因此，开展14行风井的破坏机理研究既具有理论意义也具有经济价值。

1 14行风井工程地质条件及破坏形式

14行风井位于14行勘探线的下盘，属二矿区矿山改扩建工程，是二矿区专用回风井。承担着二矿区1150m、1000m两个主运输水平，14个生产盘区的回风任务。14行风井工程穿过的工程围岩有超基性岩、花岗岩、大理岩、混合岩等，局部岩体裂隙及小断裂构造发育，在井筒底部1000m中段、距井筒下底约90m处有一断层F16出露，该段井筒工程地质条件较差，详见图1。

二矿区14行风井破坏后，通过对上部尚未填实部分井筒进行调查，发现井筒破坏呈现以下几种主要特征：

（1）井壁错动开裂

二矿区14行风井井壁除了有环状裂缝外，还具有竖向裂缝和X形交叉裂缝。裂缝主要出现在井壁西北及东南帮，以竖向裂缝为主。

图1 14行风井井筒工程地质剖面示意图

（2）片冒

片冒也是14行风井井壁围岩变形破坏中常见的一种破坏形式，有的片帮比较轻微，仅在井壁出现贯通性的纵向裂缝，并有轻微的掉块；有的则比较严重，混凝土支护破裂并出现离层，与围岩之间形成空腔，根据混凝土破坏特征来看，它们的破坏机制为剪切破裂或拉张破裂。

（3）冒落物冲击井壁破坏

在井下大约170m处，在南东40°左右位置井壁发现了一个窟窿，可能为对面井壁冒落物掉下所砸坏，而且该处堆积的冒落物东南高，距井口约171m，西北低，距井口约173m，因此也可以初步判定片冒主要发生在井壁的西北帮。井壁具体破坏情况如图2所示。

图2 二矿区14行风井井壁变形破坏照片

2 14行风井变形破坏仿真分析

由于岩体结构的复杂性，要建立完全反映岩体结构特征的模型是不现实的，因此对具体工程而言必须进行适当简化，但同时必须认识到岩体强度由结构面强度控制。鉴于14行风井的实际地质情况的复杂性和三维建模的难度，本文论文采用FLAC3D自带的遍布节理模型来模拟弱面对14行风井稳定性的影响，遍布节理模型实际上是莫尔-库仑模型(Mohr-Cou lom b m odel)的扩展，即在莫尔-库仑体中增加节理面，此节理面也服从莫尔-库仑屈服准则。该模型同时考虑岩体和节理的物理力学属性，破坏可能首先出现在岩体中或沿节理面，或二者同时破坏，其主要取决于岩体应力状态、节理产状、岩体及节理力学性质等。

2 .1 数值模型的建立

（1）遍布节理模型

遍布节理模型中岩体适用于莫尔-库伦屈服准则，与节理面相关的屈服准则及其数值模拟计算的实现如下：

节理面方位和应力状态可由局部坐标表示，广义坐标和局部坐标下应力关系可由式（1）表示：

式中， θ为节理倾角

相应地，局部坐标下弹性应力和应变增量可由式（2）表示：

式中，K为体积模量；G为剪切模量

根据莫尔-库伦准则，局部坐标下屈服包络线AB可表示为 fs= 0；拉伸破坏包络线BC可表示为 ft= 0；且有以下函数式存在：

式中，jc，jφ以及jtσ 分别表示节理面的凝聚力、内摩擦角及抗拉强度。当岩体应力处于稳定区域时，岩体呈现弹性状态，不需要进行塑性修正，而进入屈服区域时，根据关联流动法则，需进行修正。局部坐标与广义坐标转换后剪切破坏修正后的应力增量关系可表示为式（4）：

拉伸破坏(BC 段)修正后的应力增量关系可表示为式（5）：

（2）计算模型的建立

金川1#矿体是目前二矿区的主采矿体，矿体长1.6km，大宽度为200m，平均宽98m，延伸千余米。为研究采动对14行风井的影响，建立了包括1#矿体和14行风井在内的真三维模型。三维数值模型见图3，模型尺寸为3600m×4000m×1700m，根据研究需要对14行附近围岩网格进行加密，且采用映射型网格，单元总数140085，节点总数31388。模型x、y、z轴坐标范围分别为（-1200，2400），（5000，9000），（0，1700）。计算中，采用实体单元模拟混凝土支护，混凝土强度等级为C30，岩体参数采用GPS监测数据反分析所得到的等效岩体参数，本构关系取为理想弹塑性，岩体及矿体采用莫尔-库仑模型，鉴于14行风井所穿岩层节理分布较为密布，因此，井筒周围一定范围内的岩体采用遍布节理模型(ubiquitous-join tm odel)进行模拟（表1）。C30混凝土衬砌采用弹性模型。

表1 遍布节理模型参数

图3 金川二矿区1号矿体及14行风井三维透视图

（3）计算方法

计算分3步进行：首先计算在自重体积条件下使模型达到平衡状态，获得该条件下的初始应力场；在此基础上将位移清零，按照二矿区实际采矿计划（表2）进行数值模拟，根据开挖矿体前后应力场及位移场的变化，来分析地下开采对竖井变形、破坏的影响。

2.2 模拟结果分析

（1）变形分析

图4为井筒沉降变形随回采过程的变化曲线，揭示了井筒沉降变化规律。由于井深197m、标高为1520m附近的围岩节理裂隙较为发育，因此，此段井壁沉降变形曲线在此发生突变，在靠近采空区标高1350m有个很缓的转折。其次，在数值上，单中段回采时，不同回采步（1、2、3、4步）各回采步沉降差不是很大，双中段开采（5、6步）较单中段开采时沉降数值变化较大，特别是第6步回采时，沿井壁轴线沉降曲线出现了大的变化。因此，可以初步判断标高1520m处出现的沉降突变点很可能就是井壁最先破坏的位置，这与现场的井筒仅剩余170m情况相吻合。

（2）基于单元最小安全系数的井筒局部失稳分析

岩体强度破坏理论是判断岩体失稳的重要判据，即在低约束压力条件下，当岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时，岩体就发生剪切极限破坏。对于岩土介质，Moh r-Cou lom b服条件是工程界应用最为广泛的屈服条件之一，其主应力表示形式以及安全系数sF可以表示为：

表2 二矿区开采顺序表

其中，1σ为最大主应力，3σ为最小主应力，c为内聚力， φ为内摩擦角。

如果岩体中存在节理面，则对应于节理面破坏，其主应力表示形式以及安全系数sF为：

图4 井壁沉降随矿体开采过程的变化曲线

式中，1σ为最大主应力，3σ为最小主应力，jC是节理面粘结强度，jφ是节理面摩擦角， β为节理面倾角。

当 Fs＞1表示未破坏（屈服面内部）； Fs＜1表示已破坏（屈服面外部）； Fs=1表示处于临界状态（屈服面上部）。参照文献［18］中的FLAC3D安全系数的FISH语言编写方法，若岩体中任一点的应力状态满足屈服条件时，岩体在该点发生破坏。在进行强度破坏判断时，采用抗拉强度准则和抗剪强度准则，拉应力当时，即认为岩体发生拉断破坏；剪应力区：当单元的局部安全系数sF＜1时，即判断该单元发生剪切破坏。采用该方法给出第6步回采时14行风井沿井筒标高（1000～1700m）最小安全系数变化曲线，见图5。

图5 井筒安全系数随采矿步骤变化图

由图5可知，当回采至第6步时，井筒（标高1520～1480m）局部安全系数为0.984小于1，时间大约为2005年，这与风井破坏的时间相吻合，同时，在靠近采空区段，安全系数却呈现逐渐增大的趋势，这是由于开采引起卸荷作用对井筒起了积极作用，这也是14行风井的破坏没有发生在1150m段而是发生在距离井口178m的原因。由此可见，14风井井筒的破坏完全是由于1520～1480m处的节理受采动影响发生了剪切破坏造成的，这一点与现场观测情况相吻合。

3 结论

（1）建立了集14行风井和大型矿体为一体的三维几何模型，采用遍布节理力学模型研究了井周密集节理对井筒稳定性的影响，揭示了采动影响下14行风井的破坏机理，结果表明，随开采的不断深入，14行风井井壁变形在1520～1480m段位移发生突变，当开采水平为1190～1170m和1130～1110m时，其局部安全系数降为0.984，井筒破坏，这与井筒实际的破坏位置和破坏时间相吻合，说明本次模拟的可靠性。

（2）通过分析可知，因14行风井局部节理密集，在采动的不断扰动下，14行风井围岩沿弱面（断裂面、软弱层面）发生了剪切破坏，是造成14行风井失稳垮塌的直接原因。除此之外，复杂的地质环境与条件，低强度的支护型式也是造成14行风井失稳垮塌的原因。

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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，高级工程师，主要从事岩土工程可靠性研究。