黑龙江省荣华立井壁后空洞破坏及注浆有限元分析

张向东，尹晓文，张树坤

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

黑龙江省荣华立井壁后空洞破坏及注浆有限元分析

张向东，尹晓文，张树坤

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

井壁溃沙、壁后空洞对立井的影响一直威胁着煤矿安全生产，对破坏的立井稳定性规律研究分析及处理方法备受关注。本文应用大型有限元分析软件ADINA，采用莫尔-库仑准则和拉伸破坏准则的组合并结合现场仪器原位检测模拟井壁后空洞破坏以及注浆，对荣华立井壁溃沙、壁后空洞对立井稳定性的影响和壁后注浆治理时不同注浆压力对井壁稳定性影响的基本规律进行研究，并依据分析结果制定了注浆方案。数值仿真分析表明:溃沙、空洞对井筒稳定有不利影响，并造成地表沉降;注浆压力对井筒稳定性有直接影响，当注浆压力达到一定值时，井壁竖向应力可出现拉压力，水平应力增大易导致井壁破裂。

立井;有限元分析;井壁破坏;注浆加固

0引言

立井井筒破坏预防治理方法的研究涉及到立井井筒的设计、施工及钢筋混凝土材料的破坏等问题，且需要将立井井筒破坏发生机理与前述问题相结合考虑［1］。目前主要有在建井前设计采取新型立井设计或者在建井前期对周围土体采取降水的措施［2］;若立井井筒破坏后，其治理方法主要是破壁注浆，能够起到快速阻止破裂井壁段的涌水，对井壁后局部范围内的土岩层及破裂处的井壁起到一定的加固作用，但不能有效的阻止立井井壁竖向变形，不能起到对立井井筒周围的底部含水层和风化带的整体加固作用［3-6］;地面帷幕注浆，对于治理井壁破裂具有一定的作用，但其存在实施过程难以控制及费用高等缺点，而且不能够做到完全根治［7-8］;套壁加固，只能对井壁起到暂时的修补作用，在短时间内井壁会由于底部的失水而产生再次的破坏［5-9］;卸压槽法，能够在较长的一段时间内较好的控制立井井壁的变形、破裂，但其缺点是在施工过程中需占用生产时间，影响矿山的正常的工作生产［6-10］。有时候需要把这几种方法综合起来使用。

1 工程概况

荣华立井位于黑龙江省内，有主井、副井和风井三个井筒。主井井筒设计井径6.5m，井深921m。0～190m井壁结构为壁厚850mm钢筋混凝土，190m以下为600mm厚的300#钢筋混凝土。副井井筒设计井径8.0m，井深 866m，0～155m井壁结构为壁厚850mm钢筋混凝土，155m以下为600mm厚300#混凝土。主井、副井井筒在第四系流砂层、新三系粉砂岩、新三系硅藻岩、新三系玄武岩和老三系等胶结差的砂岩施工时，出现了不同程度的溃沙和片帮，形成空洞。其中在玄武岩和老三系胶结差的砂岩交界处形成的空洞最大。荣华主井、副井井壁后空洞的存在将会严重影响井筒的安全使用，可能会导致井壁的突然破坏，造成安全生产事故，同时也会引起地面沉降影响地面提升设备的正常运行。

2 主要工程地质条件及空洞产生原因

2.1 主要工程地质条件

井田区含水层，按其地质时代、岩性特征、埋藏条件可划分8个含水层(带):

(1)第四系冲积、坡积孔隙含水层(Ⅰ);

(2)第三系顶部孔隙裂隙含水层(Ⅱ1);

(3)第三系上部孔隙裂隙含水层(Ⅱ2);

(4)第三系中部孔隙裂隙含水层(Ⅱ3);

(5)第三系下部孔隙裂隙含水层(Ⅱ4);

(6)侏罗系城子河组风化裂隙含水层(Ⅲ1);

(7)侏罗系城子河组层间裂隙含水带(Ⅲ2);

(8)侏罗系城子河组断层水(Ⅲ3)，井田区隔水层，赋存于第四纪堆积物顶部和第三纪地层中，隔水层岩性为粘土、泥岩和玄武岩，现分述如下:1)第四系亚粘土隔水层(G0);2)第三系上部厚层泥岩隔水层(G1);3)第三系中间玄武岩隔水层(G2);4)第三系中下部泥岩隔水层(G3、G4)。

2.2 空洞产生原因

由主井和副井的地层结构可知在第四系、第三系地层中，均有多层的含水砂岩层、含水玄武岩风化带地层等。当井筒掘井到该含水层时，由于没有进行预注浆或冻结，因此含水层向井筒充水，造成井筒涌水比较大，井筒涌水进一步导致易于片帮;20世纪90年代初我国的特殊施工方法(冻结法和钻井法)还不能达到该井筒的深度，因此采用普通法进行凿井，造成施工过程中抗水患和防溃砂的能力不足。另外对第三系砂岩中未成岩的流砂层对井筒施工的危害认识不足，对玄武岩风化带的危害认识不足，因此未采用预注浆加固和封堵围岩主要含水层、流砂层、风化破碎带;另外一个原因则是第三系地层埋深大、应力大、岩体强度低(硅藻岩)，部分砂岩尚未完全固结成岩，易于垮落和流动。地层中有多层承压含水层，在向井筒充水的过程中，挟带部分砂层。因此在掘进过程中，一旦支护不利，会出现大量的涌水和溃沙。

3 井壁破坏的数值模拟

3.1 计算模型及边界条件

本文中井壁破坏分析采用ADINA软件，它是一个通用的分析软件。以荣华立井区主、副井的位置关系建立模型，主、副井之间的直线距离约为71m，主井井筒直径为6.5m，副井井筒直径为8m，垂直深度取为350m，两井筒向周围各取100m。建立模型计算的主要目的是考察在井筒埋深280m左右，跨落的空洞对井筒的影响及地表的沉降的影响。根据模型的需要，不同区域划分的网络疏密不同。建立三维模拟效果如图1所示:

根据建立的模型，模型前后和左右边界施加水平约束，即使模型的边界水平位移为零，模型底部边界固定，即底部边界水平位移、垂直位移为零，模型顶部为自由边界，垂直方向施加由重力产生的载荷，侧向应力由重力产生。

图1 三维有限元模型网格图Fig.1 Three-dimensional finite element mesh figure

在计算中采用莫尔-库仑弹塑性模型，在这种本构模型中，材料的屈曲面服从莫尔-库仑破坏准则(剪切屈服函数)和拉伸屈服准则。在屈曲面上的应力由不关联剪切破坏流动法则和关联的拉伸破坏流动法则共同确定。

3.2 计算参数选取

根据勘察报告和工程经验及其井壁的特性计算参数取值(表1)。根据开挖井筒时的工程资料，井筒280m到285m处为主要空洞，为了模型的建立的方便，把不规则区域整合为一个规则的立方体，体积约为750m3。

3.3 数值模拟结果分析

井筒开挖形成的空洞造成地面下沉，模拟结果见图2、图3，数值处理后见图4。

图2 地表下沉等值线图(m)Fig.2 The surface subsidence isoline (m)

(1)从图2，3中可看出，位移下沉量呈凹兜型，两井筒中间下沉量大于其两侧，基本呈对称分布。在地表下沉曲线可以看出破坏对地表影响的程度和范围，主、副井筒之间产生最大下沉值在0.15m左右，距离两井筒以外越远沉降值越小。从图3可看出离地表越深、越是接近流沙溃壁处，下沉值也越大。

(2)由图4可见，纵向距井筒相同距离随深度的增加，下沉量增大。目前情况下地表最大位移约13.5cm，

表1 计算模型物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters calculation model

图3 距地表150m截面处下沉等值线图(m)Fig.3 From the surface subsidence isoline 150m cross-section(m)

A=0.000，B=-0.0500，C=-0.1000，D=-0.1500 E=-0.2000，F=-0.2500，G=-0.3000，H=-0.3350岩层深部下沉量大于地表下沉量。这只是在井筒内部一处较大空洞区域影响下产生的地表下沉，加上其它层位不同的空洞和面积区域大小不等的空化裂隙对地表下沉的影响，可能大于目前计算所得的下沉量。如果不采取治理措施，将来对井筒的潜在危害较大。从地表位移分布图可看出，其下沉基本呈椭圆形，因此绘制出的地表下沉曲线呈对称分布。

图4 地表及岩层下沉曲线图Fig.4 The surface subsidence and rock graph

4 注浆的数值模拟及施工方案

4.1 注浆方案

主副井治理方法的选取及参数计算基本相同，限于文章篇幅现以主井为例进行注浆设计，副井参数在结论中体现。针对井筒围岩不同的情况以及数值模拟结果，采取不同的注浆充填加固方案，具体如下:

(1)根据主井筒施工情况和地质条件划分5个注浆区域，不同的注浆区域根据工程要求选用不同的注浆材料并合理布置注浆孔的位置;

(2)在主井最下部注浆区域下5～8m内注浆加固井壁后岩体，形成止浆塞封堵加固注浆不向下流失;

(3)对只发生底臌而没有形成冒落空洞的受扰动区域，进行水泥单液注浆加固地层;

(4)对溃沙严重并产生了冒落空洞的区域，进行水泥+粉煤灰注浆充填，由于充填量大注粉煤灰可以降低注浆材料的成本。此外，根据注浆量和涌水情况，适当注入水泥+水玻璃双液浆，可以加固地层并且封堵井筒涌水，减少井筒涌水量。

4.2 注浆压力的确定

设计距井壁 2m、5m、8m处分别加注浆压力1MPa、3MPa、5MPa、7MPa、10MPa 进行模拟计算，从而考察井壁处的应力变化情况，模拟方案共15个(表2)。为了直观清楚的看到井壁压力，从副井中位于整个井筒埋深的255m到305m处，取井壁长50m，需要注浆的一段的一半进行计算。经过对3段注浆深度，5种注浆压力共15个方案的计算，从所得结果中取其水平应力云图(图5)，井壁压力与注浆压力(图6)，进行分析得出如下结论:

(1)与井壁距离相同时，注浆压力越大，则井壁最大水平应力越大，对井壁稳定性不利。

(2)注浆压力相等时，距井壁越远，则井壁受到水平应力越小，对井壁稳定性越有利。

图5 两井筒最大剪应力图，单位PaFig.5 Two wellbore maximum shear stress diagram

表2 距井壁不同距离、不同压力下的注浆方案Table 2 The grouting scheme of Different distance from wall under different pressure

图6 井壁最大水平压应力 (单位:MPa)Fig.6 Maximum horizontal wellbore compressive stress(MPa)

(3)与井壁距离相同时，注浆压力越大，则井壁最大垂直压应力越小，当注浆压力大于7MPa井壁应力为拉应力。井壁抗拉强度较低，出现拉应力易在井壁施工的接茬处开裂(图7)。

(4)本段合适注浆压力应小于5MPa。注浆压力与井壁距离应该按照分段模拟结果调整。

5 结论

图7 井壁最大垂直应力 (单位:MPa)Fig.7 Maximum vertical stress of wall(MPa)

立井井壁破坏，从工程地质力学角度来看是一个动态过程，井筒所处的环境为一非线性动力学系统，井壁破坏既有井筒所处的地质环境的影响，又有地质环境与采矿活动的相互作用及土与井壁的相互作用的影响［11］。在考虑各项因素与数值模拟结果之后，得出以下结论:

(1)下沉量与距井筒距离、地面深度有正向关系;一般地表下沉曲线呈对称分布。

(2)注浆压力对井筒稳定性有直接影响，当注浆压力达到一定值时，井壁竖向应力可出现拉压力，水平应力增大易导致井壁破裂。

(3)为保障注浆期间井筒的安全以及投产后井筒的正常运行，建议对井壁应力、应变进行长期监测。

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Finite element analysis of Ronghua hollow shaft wall damage and post-grouting in Helongjiang Province

ZHANG Xiang-dong，YIN Xiao-wen，ZHANG Shu-kun
(Institute of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

After sand wall collapse and wall of vertical cavity wall have been threatening effect of coal mine safety in production，the destruction of vertical stability analysis and processing method of law are concerned.This paper is aimed at using the fem software ADINA，with the method of Mohr-Coulomb criterion and tensile failure criteria combined with the combination of live instrumentation in situ simulation of damage and the wall cavity after grouting，Such as the vertical shaft ulcer sand，after the cavity wall opposite wells effect the stability of the impact and wall grouting，after grouting is different from that pressure on the sidewall of the stability of the basic law has been studied.According to the analysis result，grouting scheme was formulated.Numerical simulation analysis shows that:hole collapse would have an adverse effect on shaft stability and the surface subsidence;asgrouting pressure has a direct impact on the stability of shaft，when asgrouting pressure reaches a certain value，the vertical stress can appear shaftlining pull pressure;easily increased levels of stress leads to wall cracked.

vertical;finite element analysis;wall damage;grouting reinforcement

1003-8035(2010)04-0104-05

TU441+.35

A

2010-04-09;

2010-08-01

辽宁省教育厅科学技术研究重点实验室项目(2008S114);国家自然科学基金(50978131);辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(2008RC23)

张向东(1962—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事土木工程方面的教学与科研工作。

E-mail:zhxd2008@yahoo.com.cn