礦山豎井修復(fù)加固方案比選與穩(wěn)定性計(jì)算分析

袁 柱

中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011

礦山豎井因礦料長(zhǎng)期對(duì)其襯砌磨損，加之井壁巖體質(zhì)量較差，進(jìn)而發(fā)生垮塌堵塞，致使豎井無法使用，原使用豎井+平硐運(yùn)輸?shù)V石模式改用盤山公路汽車運(yùn)輸模式，造成工作效率低下、生產(chǎn)成本劇增，因此進(jìn)行豎井疏通、修復(fù)加固勢(shì)在必行。本文首先提出多組修復(fù)加固方案，并進(jìn)行全方位方案比選，最終選取“鋼模板+鋼筋砼襯砌（內(nèi)模法）+錨桿（土釘封堵法）+錳鋼護(hù)筒（護(hù)筒跟進(jìn)法）”的修復(fù)加固方案，而后，綜合應(yīng)用襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬方法，分析該加固方案在處理前后豎井圍巖穩(wěn)定性變化過程，最終認(rèn)為該修復(fù)加固方案具有良好支護(hù)效果，而且實(shí)際工程實(shí)踐過程中也驗(yàn)證了該結(jié)論。

1 工程背景

某礦山豎井井深224m，井徑為3.2m，下端接500m 平硐進(jìn)入開采區(qū)，其中0m～86.2m 段為灰?guī)r層（頂部存在厚度為1m左右粘土），局部可見溶洞、溶孔的溶蝕現(xiàn)象；86.2m～92.9m 段發(fā)育有一層厚約6.5m 的角礫巖破碎帶，灰黃色，主要成分為泥巖塊，遇水極易軟化，自穩(wěn)性差。并在該處附近揭露有明顯的斷層界線；92.9m～224.0m 段為泥質(zhì)粉砂巖泥巖互層夾煤層、煤線，該層段特點(diǎn)為層間結(jié)合差，巖性軟弱，地下水豐富，且隨著埋深的增大巖體裂隙發(fā)育程度減弱，巖體穩(wěn)定性程度提高。

1.1 豎井垮塌前圍巖狀況及支護(hù)方案簡(jiǎn)介

該豎井井深224m，其中0m～3m 塊狀灰?guī)r（Ⅱ類圍巖），3m～47m 破碎灰?guī)r，47m～92m 角礫灰?guī)r，92m 為斷層，92m～115m 泥質(zhì)粉砂巖、泥巖互層，115m～126m 泥巖夾煤線，126m～148m 泥質(zhì)粉砂巖泥巖互層；148～155m 泥巖夾煤線；155m～177m 泥質(zhì)粉砂巖、泥巖互層；3m～177m 為Ⅳ類圍巖；177m～228m 泥質(zhì)粉砂巖（Ⅲ類圍巖）。

原有支護(hù)方案為鋼筋混凝土護(hù)壁（RC 內(nèi)襯）+掛網(wǎng)錨桿支護(hù)，鋼筋混凝土護(hù)壁厚度200mm～300mm，混凝土強(qiáng)度為C20，布置φ16@200×200 單層鋼筋網(wǎng)；掛網(wǎng)錨桿1φ22，長(zhǎng)度5m，間距1.0m。

1.2 豎井局部垮塌現(xiàn)狀

該豎井在實(shí)際采礦掘進(jìn)過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重坍塌現(xiàn)象，其坍塌主要集中在井幫埋深28m～126m 之間，且82m～95m 之間尤為嚴(yán)重，最大坍塌寬度可達(dá)15m。其中支護(hù)體系出現(xiàn)較嚴(yán)重的變形失穩(wěn)現(xiàn)象：RC 內(nèi)襯垮塌鋼筋網(wǎng)片脫落，有鋼筋向心翹起；掛網(wǎng)錨桿多處松動(dòng)掉落。且因坍塌井內(nèi)礦料堵塞輸送口，被迫停止輸料。詳見圖1 示。

圖1 豎井各段巖層情況及圍巖類別

1.3 豎井垮塌原因分析

豎井坍塌的根本原因?yàn)椋郝裆钤?2m～91m 處斷層破碎帶通過斜穿豎井，周圍巖體十分破碎，且周圍發(fā)育一定厚度的煤層，多呈散體結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)性差，極易垮塌。此外，內(nèi)襯RC 厚度及強(qiáng)度不足，不具有耐沖擊、耐磨損的工程功效，亦是坍塌的重要外在因素。基于此，后期采取修復(fù)加固方案必須實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)段斷層破碎帶的變形與穩(wěn)定性的綜合治理，

同時(shí)，必須提高內(nèi)襯的強(qiáng)度與耐沖擊、耐磨損性能。可見，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土襯砌+掛網(wǎng)錨桿方案就無法滿足工程要求。

2 修復(fù)加固方案比選

2.1 豎井修復(fù)加固方案

本豎井修復(fù)加固工程以Mn 鋼護(hù)筒方案為支護(hù)基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程與規(guī)范要求，提出了以下四種修復(fù)加固技術(shù)方案：

1）外擴(kuò)RC 襯砌+Mn 鋼護(hù)筒方案；

2）內(nèi)縮RC 襯砌+Mn 鋼護(hù)筒方案；

3）內(nèi)縮鋼護(hù)筒襯砌+Mn 鋼護(hù)筒方案；

4）內(nèi)縮沖抓RC 襯砌+Mn 鋼護(hù)筒方案。

2.2 豎井修復(fù)加固方案對(duì)比

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，經(jīng)過以上關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及豎井垮塌堵塞現(xiàn)狀綜合分析比較，最終選取第4 種支護(hù)方案為最終支護(hù)方案，詳細(xì)對(duì)比見表1。

表1 豎井修復(fù)加固方案對(duì)比

3 豎井支護(hù)方案安全性設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 豎井錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

參照GB50081-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]，根據(jù)地質(zhì)勘察資料初步確定圍巖級(jí)別，并按規(guī)定初步選擇豎井的錨噴支護(hù)類型和設(shè)計(jì)參數(shù)。已知按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料，圍巖類別選為Ⅲ類，其系統(tǒng)錨桿選用Φ25 鋼筋，長(zhǎng)度5m，間距2.4m，環(huán)距3.0m，均滿足相關(guān)計(jì)算規(guī)范要求。

1）錨桿軸向拉力值計(jì)算

錨桿軸向拉力值設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

考慮隨著埋深增加，豎向壓應(yīng)力不斷增大，選取埋深最大的82m 處錨桿進(jìn)行計(jì)算，選取γQ=1.30，錨桿入射角為20°，考慮上覆錨桿的錨固作用，選取Htk 的2%進(jìn)行計(jì)算，得到Na=55.84KN<450KN（巖層錨桿Ⅱ-Ⅲ級(jí)設(shè)計(jì)承載力），滿足設(shè)計(jì)要求。

2）錨桿截面面積計(jì)算

式中 A—錨桿截面積（mm2）;Na--錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值（kN）；fptk—錨桿抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）；k--安全系數(shù)，臨時(shí)錨桿取1.6，永久錨桿取1.8；ξ —錨筋抗拉工作條件系數(shù)，臨時(shí)錨桿取0.69，永久錨桿取0.92。

計(jì)算得到：

可見，Φ25 錨桿可滿足設(shè)計(jì)要求。

3）錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算

錨桿錨固長(zhǎng)度應(yīng)滿足下式要求：

式中，l—錨固段長(zhǎng)度(mm)；Nak—錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)；D—錨固體直徑(mm);frb—地層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值（KPa），選取350KPa。ξ--錨筋抗拉工作條件系數(shù)，臨時(shí)錨桿取1.33，永久錨桿取1.0。

3.2 豎井Mn 鋼筒支護(hù)方案設(shè)計(jì)計(jì)算

1）Mn 鋼筒的襯砌厚度計(jì)算

圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種共同體，存在相互影響、相互制約的作用，對(duì)于巖石工程而言，如何充分利用共同作用原理，發(fā)揮圍巖的自承能力，對(duì)維持地下工程穩(wěn)定和減少對(duì)支護(hù)的投入十分有利。基于此，在計(jì)算圍巖壓力時(shí)，引入了共同作用原理予以計(jì)算。

對(duì)于軸對(duì)稱的豎井，假定其滿足彈塑性材料特征，利用卡斯特納（H.Kastner）方程[5]可以得到其塑性區(qū)半徑公式如下：

相應(yīng)地，利用相容性（共同作用）原理，可以得到井巷周邊位移公式為：

而彈塑性界面的位移利用強(qiáng)度邊界條件和變形邊界條件，可以推導(dǎo)出為：

綜合以上三式，則井巷周邊位移公式可表示為：

而從襯砌角度著手，對(duì)于軸對(duì)稱圓形豎井，可將其視為受均勻外壓P 的厚壁圓筒，假設(shè)其內(nèi)、外徑和材料彈性模量分別用a、R0、E1、v1 表示。則根據(jù)厚壁圓筒公式，圓筒外緣徑向位移公式為：

聯(lián)立式（7）、（8），選取最不利載荷處-100m 處的圍壓壓力P 進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)可參照1 計(jì)算結(jié)果，假定襯砌壁面位移u0 滿足設(shè)計(jì)要求，參照相關(guān)規(guī)范，取20mm 為設(shè)計(jì)值，并參照Mn 鋼筒的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)（表5-4），編制Matlab 計(jì)算程序，計(jì)算可得：

a=12.86mm，R2=92.35%

可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，具有一定參考意義。可見，當(dāng)護(hù)壁厚度大于12.86mm 時(shí)，可基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2）Mn 鋼筒抗剪強(qiáng)度承載力計(jì)算

關(guān)于豎井Mn 鋼筒支護(hù)方案因無明確規(guī)范可查，故借助GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]及理正軟件對(duì)襯砌設(shè)計(jì)予以設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初步選取Mn 鋼筒半徑為1.5m，襯砌厚度為15mm，這樣可保證豎井足夠的輸送空間。對(duì)照Mn 鋼的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，選取彈性模量Em 值為220GPa，采用四周均布載荷方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。其中選取坍塌嚴(yán)重區(qū)-100m處為典型斷面進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算，相關(guān)計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2 示。

圖2 Mn 鋼筒支護(hù)方案計(jì)算簡(jiǎn)圖

考慮Mn 鋼筒受巖體擠壓受剪，周圍分布有一定大小的剪力值，下圖為Mn 鋼筒所受的剪力分布圖，因選取為截面圖，故顯示為軸力圖，實(shí)為剪力分布圖。

圖3 Mn 鋼筒軸力（剪力）分布圖

從圖中可知，該處最大的剪力值為133.8KN，對(duì)應(yīng)的極限剛度為12.2GPa<132 GPa(Mn 鋼筒的設(shè)計(jì)剛度，可利用彈性模量Em 換算得到)。滿足設(shè)計(jì)要求。

3）Mn 鋼筒抗沖切強(qiáng)度性能驗(yàn)算

對(duì)于Mn 鋼筒抗沖切強(qiáng)度的驗(yàn)算，多為巖體動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容，一般需考慮動(dòng)荷載效應(yīng)的影響，可以采用抗沖切強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估算，取1.5 倍動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)，得到Mn 鋼筒現(xiàn)承受的沖切強(qiáng)度為200.7kN。

參考圖4 計(jì)算結(jié)果，同樣換算可知，其小于Mn 鋼筒所具有的抗沖切強(qiáng)度極限值，故亦滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 Mn 鋼筒法向位移分布圖

3.3 豎井混凝土護(hù)壁支護(hù)方案設(shè)計(jì)計(jì)算

參照GB50081-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]及JTJ026-90《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]對(duì)護(hù)壁砼的厚度進(jìn)行計(jì)算。為分析襯砌厚度變化對(duì)其安全性的影響，對(duì)于混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，具體計(jì)算方法為根據(jù)材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力N，與實(shí)際內(nèi)力相比較，得出截面的抗壓(或抗拉) 強(qiáng)度安全系數(shù)，檢查其是否滿足規(guī)范要求，即：

當(dāng)由抗壓強(qiáng)度控制，即e=M/N<0.2h 時(shí)：

式中：φ 為構(gòu)件縱向系數(shù)，豎井襯砌取1 ；Ra 為混凝土極限抗壓強(qiáng)度；α 為軸力的偏心影響系數(shù)，按以下經(jīng)驗(yàn)公式α=1-1.5e/h 確定；b 為截面寬度，取1 m；h 為截面厚度。

當(dāng)由抗拉強(qiáng)度控制，即e=M/N<0.2h 時(shí)：

式中：R1 為混凝土極限抗拉強(qiáng)度。

采用以上公式（9）～(11)；對(duì)豎井襯砌不同深度處的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 混凝土襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系

從以上計(jì)算可知：1）豎井中混凝土襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)隨深度增加呈下降趨勢(shì)，但均滿足安全性設(shè)計(jì)要求；2）在破碎帶巖層中，襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)相對(duì)于緊鄰的巖層有仍較大的降低，但基本滿足要求。

4 結(jié)論

本文利用解析計(jì)算對(duì)比分析的方法驗(yàn)證了某礦山豎井修復(fù)加固方案的安全性與可行性，綜合襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，可得出如下主要結(jié)論：

1）本修復(fù)加固方案：縮挖砼襯砌+Mn 鋼護(hù)筒支護(hù)+錨桿支護(hù)，較其他三種方案，投資成本低，安全程度高，施工難度小，是目前修復(fù)加固該豎井最佳推薦方案；

2）本修復(fù)加固方案：縮挖砼襯砌+Mn 鋼護(hù)筒支護(hù)+錨桿支護(hù)，合乎相關(guān)技術(shù)規(guī)范，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，具有較強(qiáng)安全性；

3）本文采用的襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)于類似豎井、巷道襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定參考價(jià)值。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50215-2005煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005，9.

[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CESC:2005巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005，8.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50399-2006 煤炭工業(yè)小型礦井設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.4.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50081-2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2001，7.

[5]沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006，4.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003，4

[7]北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院.理正設(shè)計(jì)軟件[CP].北京：北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院，2004.

[8]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JTJ026-901.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004，9.

[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版，2011，5.