基于FLAC3D的富水地層立井開挖地下水滲流分析

郗 征，陶 莎

(1.岑溪市經(jīng)濟信息中心，廣西 岑溪 543200；2.岑溪市建設(shè)規(guī)劃室，廣西 岑溪 543200)

0 前 言

立井井筒開挖過程中,地下水的作用是誘發(fā)井筒涌水、井壁淋水的重要因素之一,地下水的滲入會增加井筒圍巖孔隙水壓力,使?jié)B水后的巖體強度降低,發(fā)生水化現(xiàn)象而失穩(wěn)，故常常引起井壁失穩(wěn)、坍塌，可能造成人員傷亡與財產(chǎn)損失。本文依托某煤礦中央回風(fēng)立井項目開展富水地層立井井筒開挖過程中，地下水滲流對井筒周邊巖體變形的分析，運用FLAC3D數(shù)值模擬，分析地下水滲流影響條件下立井井筒周邊圍巖豎向位移動態(tài)變化規(guī)律，為井筒支護優(yōu)化設(shè)計及圍巖穩(wěn)定性分析提供分析方向。

1 應(yīng)力(應(yīng)變)場-滲流場耦合數(shù)學(xué)模型

應(yīng)力(應(yīng)變)場-滲流場的耦合作用主要是分析巖體中水的滲流與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。由于巖體具有裂隙性，裂隙是地下水滲入的主要通道,水進入巖體裂隙形成滲流場,對巖體裂隙張開度和剛度造成影響;反之,在應(yīng)力作用下,巖體張開度變化將改變地下水滲流性能。由于巖體的滲流性取決于裂隙的滲流情況，本文假設(shè)裂隙巖體為等效連續(xù)的介質(zhì)，巖體中的滲流性能等效于等效連續(xù)介質(zhì)的滲流性，巖體的應(yīng)力將被視為是等效應(yīng)力，并用滲透系數(shù)張量來闡述裂隙的滲流性能，用應(yīng)力張量來闡述巖體的應(yīng)力。

在FLAC3D中，運用有限差分法來進行巖土體的應(yīng)力場-滲流場耦合計算。流體的質(zhì)量平衡關(guān)系見式(1)。

(1)

式中，ζ為流體容積的變分；qv為流體密度。

流體的運動方程用達西定律來表示，達西定律對均質(zhì)且各向同性的固體、流體密度均為恒定值時，運動方程如式(2)所示。

qi=-k[p-pfxjqj]>

(2)

式中,k為介質(zhì)滲透系數(shù)，m2/Pa·s；Ρf為流體密度，kg/m2；gj(j=1,2,3)為重力加速度的三個分量。

流體的滲入對裂隙張開度的影響表現(xiàn)為體積的變化，體積改變導(dǎo)致巖體中的孔隙壓力的變化，反之，改變孔隙壓力也會引起體積變化進而改變巖體的滲透性。所以，孔隙介質(zhì)本構(gòu)方程增量表示為式(3)：

(3)

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文以陜西省某煤礦中央回風(fēng)立井項目作為研究對象，礦井建設(shè)規(guī)模300萬t/a。由于該立井建設(shè)所在地區(qū)地下水量豐富，巖體裂隙發(fā)育，裂隙水進入巖體裂隙中，會導(dǎo)致圍巖自重加大，巖體凝聚力下降，內(nèi)摩擦力減小，圍巖性質(zhì)差，容易引起坍塌?？紤]到水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，施工中采用了超前探水及對圍巖開挖擾動少的掘砌開挖方法進行施工，但井內(nèi)仍會出現(xiàn)涌水失穩(wěn)、局部有裂縫、少量滑塌的現(xiàn)象，監(jiān)測結(jié)果表明井筒收斂較大，因此，初期支護的鋼支撐也出現(xiàn)了一定程度的變形。

2.2 數(shù)值模型

在建立FLAC3D三維數(shù)學(xué)模型過程中，考慮到巖體關(guān)鍵節(jié)理裂隙的分布狀態(tài)，在井壁兩側(cè)各設(shè)置裂隙一組，立井圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育程度通過弱化巖體強度的方法模擬，模型范圍取地下133.5 m以下，寬度為57.5 m巖層為研究對象。在數(shù)值計算中，圍巖巖體裂紋損傷屬性參數(shù)如表1所示。

表1 裂紋計算參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

井筒開挖后，井筒圍巖地下水滲流流動矢量分析如圖1所示。

圖1 井筒圍巖地下水滲流流動矢量分布圖

由圖1可知，井筒開挖后，地下水在水頭壓力作用下開始向井筒內(nèi)滲流，其滲水多發(fā)部位主要集中在井筒工作面及井壁，由此可知，地下水的滲流主要影響圍巖接觸處，在圍巖裂隙面處矢量密集，在實際工程中將表現(xiàn)為井筒收斂大、井筒涌水、井壁淋水，這和在富水巖層開挖立井的實際情況是相符的。

在計算分析中，采用有限差分法將數(shù)值化離散，結(jié)合初始條件和邊界條件建立隱式差分格式下滲流微分方程，考慮到該計算區(qū)域水量豐富，且水位與季節(jié)變化有關(guān)系，因此，本文在數(shù)值模擬中進行了不同地下水位條件下立井井筒內(nèi)圍巖穩(wěn)定性影響分析，研究在模擬不同地下水賦存條件下，井筒內(nèi)工作面及含水層底部的圍巖最大豎向位移變化情況。

在無支護條件下，地下水位與最大豎向位移關(guān)系的計算結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，不同地下水的賦存條件將對井筒圍巖最大豎向位移造成線性影響，隨著地下水位的下降，井筒內(nèi)工作面和含水層底部的最大豎向位移均呈線性減小趨勢，井筒內(nèi)工作面的變化幅度不大，而含水層底部最大豎向位移則變化幅度較大。在所模擬的不同工況下，無論是井筒內(nèi)工作面還是含水層底部的最大豎向位移值均大于規(guī)定值，這是圍巖失穩(wěn)的根本原因。

圖2 地下水位-最大豎向位移關(guān)系曲線

圖3 初期支護地下水位-最大豎向位移關(guān)系曲線

若對井壁進行初期支護，計算得到地下水位與最大豎向位移關(guān)系曲線如圖3所示。結(jié)果表明，進行初期支護后，井壁承載能力有所增大，在相同工況下最大豎向位移明顯減少，但其值仍較高。另外，由于FLAC3D的數(shù)值模擬計算中，當(dāng)計算得到的最大不平衡力趨于穩(wěn)定或一個相對較小的值時，就被認(rèn)為結(jié)果收斂而停止計算，因此，計算結(jié)果往往會比實際情況有所偏差，在實際施工中需采用進一步加固措施對井壁圍巖進行處理。

3 結(jié) 語

地下水的滲流作用對立井開挖后圍巖穩(wěn)定性的影響是非常明顯的，水的滲入是誘發(fā)井筒涌水、井壁淋水、圍巖失穩(wěn)的重要因素，在富水地層及雨量充沛地區(qū)考慮地下水滲流作用尤為重要，將直接影響施工人員和財產(chǎn)的安全。在立井開挖支護設(shè)計中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)亟邓闆r、地下水位變化、地下水滲流強度、地質(zhì)條件等因素對井筒圍巖穩(wěn)定性的影響，除做好超前探水、超前支護外,還應(yīng)考慮采用灌漿等加固措施加強井筒圍巖承載能力，確保人員的生命及財產(chǎn)安全。