思山嶺豎井井壁圍巖控制與支護(hù)優(yōu)化

程 力 王劍波 趙 杰 王 璽 李桂林

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室分公司，山東煙臺264000）

隨著我國礦業(yè)的迅猛發(fā)展，礦山淺部資源日益減少，許多礦山都向深部發(fā)展［1］。由于深部巖體處于復(fù)雜、高應(yīng)力的工程地質(zhì)環(huán)境，使深部巖體表現(xiàn)出的力學(xué)特性與淺部開采相比往往具有很大的差異［2］，因此地下礦山巷道尤其是深部巷道圍巖變形以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用問題亟待解決。國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多有價值的成果［3-6］。同時，在深部豎井井壁支護(hù)設(shè)計(jì)中，部分學(xué)者對井壁厚度設(shè)計(jì)方法及支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究并取得相關(guān)成果［7-9］，為此，本研究以思山嶺豎井為例，從深部高應(yīng)力下井壁圍巖控制與支護(hù)優(yōu)化來進(jìn)行研究，為該豎井施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 高地應(yīng)力下井壁圍巖控制

1.1 井壁強(qiáng)度檢驗(yàn)

思山嶺鐵礦SJ1（副井）工程井筒設(shè)計(jì)凈直徑10 m，設(shè)計(jì)深度1 497.7 m，井口標(biāo)高＋215.2 m，井底標(biāo)高-1 282.5 m（不含封底）。對于千米深立井，除了對深孔爆破提出了較高的要求之外，對混凝土立井井壁同樣提出較高要求。除了要求井壁砌筑滿足施工工藝、施工機(jī)械化、施工組織和施工管理等方面的科學(xué)、高水平的標(biāo)準(zhǔn)之外，對井壁的受力、混凝土的配合比也提出不同于一般井筒的要求。

目前國內(nèi)發(fā)生的井壁破裂基本上表現(xiàn)出剪切破裂的特征，故此處采用庫倫—維納爾強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行井壁安全性檢測［10］。

庫倫維納爾準(zhǔn)則：

式中，σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；f為內(nèi)摩擦因數(shù)，

σc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，此處取C40混凝土設(shè)計(jì)值19.1 MN/m2；σt為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，此處取C40混凝土設(shè)計(jì)值1.71 MN/m2；由上式可得，f=1.52，C=2.86MPa。

定義井壁安全系數(shù)λ為

井壁上的最小主應(yīng)力值約為0，將上述相關(guān)參數(shù)代入式（1）中，可得H=1 000、1 200、1 400 m處的數(shù)據(jù)如下：

在H=1 000 m處，σ1=38.1 MPa，σ3=0；在H=1 200 m處，σ1=35.3 MPa，σ3=0；在H=1 400 m處，σ1=45.8 MPa，σ3=0，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6，此時 σ1分別取15.24 MPa、14.12 MPa、18.32 MPa，代入式（2）得井深1 000 m、1 200 m、1 400 m的安全系數(shù)分別為1.26、1.36、1.04。井壁結(jié)構(gòu)在H=1 000 m、H=1 200 m處是相對穩(wěn)定的，但當(dāng)井深H=1 400 m時，混凝土井壁存在破裂的風(fēng)險，需要加強(qiáng)支護(hù)來保證井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于思山嶺豎井1 000 m以上的井壁結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，井壁圍壓遠(yuǎn)小于C40混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，采用厚600 mm的C40混凝土是合理的，井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要針對井筒深度1 000～1 500 m區(qū)段。井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要受井壁厚度和井壁材料強(qiáng)度影響，增大井壁厚度使得豎井開挖后巖體裸露面增大，高地應(yīng)力場下不利于井筒圍巖的穩(wěn)定，且增大井壁厚度并不能明顯改變圍巖塑性區(qū)半徑，所以優(yōu)化井壁材料方案較為科學(xué)。

現(xiàn)采用C50、C60、C70高強(qiáng)度混凝土和C40鋼纖維混凝土的井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，C40鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較普通混凝土提高0～25%，抗拉強(qiáng)度較普通混凝土提高40%～80%，不同支護(hù)材料的詳細(xì)參數(shù)見表1［11］。

混凝土井壁結(jié)構(gòu)由FLAC3D中添加殼單元實(shí)現(xiàn)，不同井壁結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同彈性模量E和泊松比μ，通過改變井壁殼單元的彈性模量E和泊松比μ構(gòu)建不同強(qiáng)度井壁模型，井筒模型高度段取為1 400～1 460 m，模型上部承受上覆巖層重力σz，σz按上覆巖石體重γ和高度h乘積計(jì)，模型四周為X、Y方向約束，底部邊界為X、Y、Z方向約束，X方向上施加最大水平主應(yīng)力邊界條件，Y方向上施加最小水平主應(yīng)力邊界條件。開挖方式為1次開挖后立即支護(hù)，提取井壁殼單元中的最大主應(yīng)力云圖，見圖1。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，使用不同的井壁支護(hù)材料，井筒開挖后圍巖對井壁的作用力不同。當(dāng)井筒開挖到井深1 400～1 500 m時，假設(shè)不考慮圍巖開挖應(yīng)力釋放，C50、C60、C70、C40鋼纖維混凝土井壁結(jié)構(gòu)上的最大主應(yīng)力分別為47、49.4、50.5、48.2 MPa。根據(jù)豎井監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6時，作用在井壁結(jié)構(gòu)上的最大主應(yīng)力分別為18.8、19.76、20.2、19.28 MPa，代入式（2），不同支護(hù)材料的井壁安全系數(shù) λ分別為1.22、1.4、1.57、1.53。優(yōu)化后的井壁結(jié)構(gòu)均能保持穩(wěn)定，使用C70高強(qiáng)混凝土的穩(wěn)定性最好，C40鋼纖維混凝土次之，考慮到C40鋼纖維混凝土的成本較C70低，可由C40混凝土和鋼纖維混合而成，抗拉強(qiáng)度較C70大，所以優(yōu)化后的井壁結(jié)構(gòu)使用C40鋼纖維混凝土井壁結(jié)構(gòu)。井深1 400 m時C40混凝土井壁支護(hù)和鋼纖維混凝土支護(hù)下圍巖位移見圖2所示。

優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖位移較之前減少1.8 mm，支護(hù)圍巖總位移在10 mm以內(nèi)，位移較小，支護(hù)后圍巖能夠保持穩(wěn)定。思山嶺豎井1 500 m井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后見表2。

2 支護(hù)施工順序的確定

豎井開挖后支護(hù)時間的選擇對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力有很大影響，支護(hù)時間過早，可使圍巖塑性區(qū)變小，但支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的支護(hù)力。支護(hù)時間過晚，圍巖可能會發(fā)生松動破壞，支護(hù)效果不佳。最佳的支護(hù)時機(jī)即最大限度地調(diào)動圍巖的承載能力，同時對支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力降為最小［12-13］。

思山嶺豎井施工中先1次爆破井筒深度5 m，隨后澆筑600 mm混凝土支護(hù)，支護(hù)高度4.5 m；當(dāng)井筒開挖到1 000 m，支護(hù)方式改為600 mm厚鋼纖維混凝土。若使支護(hù)結(jié)構(gòu)上承受的力更小，提高井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)化后采用2次開挖（4.5 m）、1次支護(hù)（4.5 m）的方式。繪制支護(hù)-圍巖特性曲線［4］見圖3。

由圖3可知，井壁結(jié)構(gòu)的最大承載力為3.95 MPa，開挖2次后施加支護(hù)，得出圍巖特性曲線和支護(hù)特性曲線的交點(diǎn)P的坐標(biāo)為（7.1，2），支護(hù)后圍巖的最終位移為7.1 mm，支護(hù)力為2 MPa，安全系數(shù)Fs為1.98，因此采用2次開挖1次支護(hù)，完全能滿足豎井施工的安全需要。

3 結(jié)論

（1）利用統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則估算豎井極限破壞深度約為600 m，對井深600～1 500 m深部的井筒襯砌進(jìn)行數(shù)值模擬，確定不同深度井筒開挖支護(hù)后井壁結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)并進(jìn)行井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定井深1 000 m以下井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后采用600 mm厚鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（2）考慮豎井施工中的圍巖釋放因素，優(yōu)化豎井施工順序，優(yōu)化后施工順序改為2次開挖1次支護(hù)，安全系數(shù)Fs為1.98，能很好地控制井筒圍巖變形和井壁圍壓，滿足豎井施工安全需要。