基于同济曙光软件的康克拉铜矿VS3B井有限元分析

杨志平（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

基于同济曙光软件的康克拉铜矿VS3B井有限元分析

杨志平（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

通过用同济曙光软件对VS3B井井筒三个不同深度位置的有限元分析，给出了单元应力及结构内力云图，并对结果进行分析对比，提出了指导施工的意见。

井筒支护；围岩应力；有限元分析；同济曙光

引言

赞比亚康克拉铜矿KDMP01B[1]项目，由中色建设集团有限公司总承包，中国瑞林工程技术有限公司（原南昌有色冶金设计研究院）设计、中都国际（赞比亚）有限公司施工及安装。项目建成后矿山采选能力由2Mt/a增加到6Mt/a。

其中竖井工程的VS3B井，需经过井筒刷大加深改造后，功能为通风兼大件整体下放。

1 设计条件

基本地震 （OBE），采用 0.05g。VS3B井井口海拔1300.805m，该井原为从地表至625mL的进风井，井内和地表没有安装任何设施。已有9条联络巷道，分别于160mL、220mL、280mL、345mL、410mL、470mL、480mL、590mL和625mL。已有钻孔深度为900m的勘察资料，除地表至30m深为页岩外，主要为石英岩。其次为页岩、砾岩、砂岩。

设计要求将现有的VS3B井由φ5.0m直径井筒刷大为φ7.4m，深度从地表至590m。VS3B井在480mL、690mL连接处设置下放设备进出平台。下放设备包括铲运机ST1020甚至尺寸更大些的设备，并且要求设备不解体进行整体下放。

2 地压计算

侧压计算，GB 50384-2007第6.1.3条计算[2]，结构重要性系数γ0=1.1，永久荷载的分项系数γG=1.2。按不均匀侧压力考虑井壁所受荷载，不均匀系数K=1.2。在井筒深度100m以内的ⅣⅤ级围岩段，在设计地压内考虑水压的作用。VS3B井设计地压的计算结果见表1。

表1 VS3B井设计地压

3 有限元分析

软件采用上海同岩土木工程科技有限公司开发的同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件GeoFBA4.0（Build 200）[3]。井壁拟采用C20混凝土进行浇灌。

3.1 计算结果1

3.1.1 条 件

计算点井筒深度：121m。

井筒净直径：φ7.4m。

混凝土支护：厚度：400mm，混凝土。

锚杆：HRB335 φ16mm，L2.0m@1500mm。

设计侧压1（Y轴）：2.530MPa。

设计侧压2（Y轴）：2.109MPa。

围岩级别：Ⅳ级。

3.1.2 计算模型图

模型见图1计算模型图。

图1 计算模型图

3.1.3 有限元控制信息

计算标题：

问题类型：平面应变；

本构模型：线弹性；

屈服准则：德鲁克-普拉格准则；

最大迭代次数：20；

单元应力释放方法：mana法；

接触面单元模型：线弹性理想塑性；

反分析计算方法：单纯形法；

构造应力：无；

自重应力：无；

自重应力计算方法：按有限元计算；

地下水位坐标：0m；

地下水比重：-10kN/m3。

3.1.4 材 料

共5个材料：

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

材料2：杆材料，杆，E=0kPa，A=0m2，γ=0kN/m3；

材料3：节理材料，接触元（单面），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级围岩各向同性，各向同性体，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，各向同性体，E=2.55e+ 007kPa，μ=0.167，γ=-24kN/m3，C=1100kPa，φ=58.6°，Rt= 1100kPa，K0=0。

结点位移见图2。

图2 位移矢量图

单元应力及结构内力见图3～4。

图3 σ1

图4 σ3

3.2 计算结果2

条件：

计算点井筒深度：189m。

井筒净直径：φ7.4m。

混凝土支护：厚度：300mm，混凝土。

锚杆：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

设计侧压1（Y轴）：1.160MPa。

设计侧压2（Y轴）：0.967MPa。

围岩级别：Ⅲ级。

（计算模型图等略，下同）

3.3 计算结果3

条件：

计算点井筒深度：600m。

井筒净直径：φ7.4m。

混凝土支护：厚度：300mm，混凝土。

锚杆：HRB335φ16mm，L2.0m@1500mm。

设计侧压1（Y轴）：3.008MPa。

设计侧压2（Y轴）：2.507MPa。

围岩级别：Ⅰ级。

4 结果

VS3B井有限元分析结果见图5，图5中仅列出绝对值最大数进行精炼。因为3组分析混凝土井壁均没有出现屈服区，故未列入。

图5 VS3B井有限元分析结果

经过有限元分析计算，可知井筒支护满足设计要求，并对施工提出如下几点建议：

（1）由于新鲜基岩埋藏较深，约在深140m左右，围岩屈服厚度约在0.5～2.5m的环行带内，故锚杆对围岩的加固作用显得较为重要，应及时施作。

（2）掘进时应预防片帮等现象发生，对于含水层地带，尤其局部风化且含高岭土的地层，可采用小导管注浆或超前预支护锚杆，改善围岩条件，以免高岭土遇水膨胀及水压带来的井壁侧压急剧增加。

（3）虽然混凝土井壁均没有出现屈服区，在施工中应避免井壁蜂窝、麻面、集中漏水等情况，以免围岩屈服区内岩石被流失，进而影响到围岩应力重新分配。

（4）井颈施工时，应尽量避开12月至次年4月的雨季。

由于各方努力，VS3B井已经建成并具备了设计预期的通风及大件下放功能，其所属的赞比亚康克拉铜矿项目也荣获2010～2011年度国家优质工程银质奖。

5 结语

综合分析可知，该井适合普通钻爆法施工，支护参数：水泥砂浆锚杆，直径16mm，L=2m，HRB335钢筋，间距1.5m× 1.5m，浇灌C20混凝土。

虽然用薄壁、厚壁桶公式可进行井壁混凝土厚度计算并简单易行，但不如有限元分析的云图表达精准细致，设计实践中宜互相佐证以保证结构安全。

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

[2]中国煤炭建设协会.《煤矿立井井筒及硐室设计规范》（GB 50384-2007）[S].北京：中国计划出版社，2007.

[3]上海同岩土木工程科技股份有限公司.同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件V4.0[CP].2007.

TD350.1

A

2095-2066（2016）33-0095-02

2016-11-11

杨志平（1957-），男，高级工程师，主要从事矿井建设工程设计工作。