含水破碎段井壁結構與圍巖穩定性分析及其支護實踐

李曉飛 孟祥凱

摘要：以某含水破碎段豎井為工程背景，通過鉆孔巖心地質調查，采用基于巖體地質力學分類的穩定性圖表，對-1 000～-1 200 m豎井井筒圍巖的穩定性進行分析，為井筒建設及服役期圍巖穩定性控制方案的制定提供依據和基礎。對井筒含水破碎段圍巖的混凝土井壁進行計算，提出新的井筒圍巖支護設計方法，確立了“混凝土井筒不承壓”的深部豎井支護設計理念，增加掘進工作面裸露高度，使井筒圍巖壓力充分釋放，并采用臨時支護+混凝土澆筑的井壁結構對該豎井進行支護，對支護效果進行實時監測，結果表明，采用該支護方式能夠順利通過豎井含水破碎段。

關鍵詞：含水破碎段;豎井;巖石力學;支護;穩定性

中圖分類號：TD35文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）03-0040-05doi：11792/hj20200308

引 言

隨著深度的不斷加深，高地應力等特殊復雜的施工環境致使含水破碎段豎井施工工作效率逐步降低，為加快施工進度，保證安全可靠，應將研究重點集中在圍巖控制、支護方法和支護材料等關鍵技術上[1] 。國內外很多學者在金屬礦山含水破碎段深豎井井筒適配性井壁結構與材料及其長期服役安全保障技術等關鍵技術方面取得了一定的突破[2]。

國內外學者雖然對井壁支護方法中的井壁支護厚度、網度、混凝土材質等進行一系列研究，但隨著井深的不斷加深，遇到含水破碎帶時往往出現施工困難、支護失穩等現象，給支護增加了難度。某礦山豎井施工至-1 000～-1 200 m時遇到含水破碎區域，造成原有支護失穩，采用多種加固支護方式后，效果仍然較差，導致該豎井停工，不僅影響工程進度也對接續生產造成一定影響。因此，對含水破碎段豎井井壁結構與圍巖穩定性進行合理研究評價是地質結構復雜的深井施工面臨的一項難題。

本文在國內外學者研究的基礎上，基于巖體地質力學分類的穩定性圖表，對-1 000～-1 200 m豎井圍巖的穩定性進行分析，為豎井建設及服役期圍巖穩定性控制方案的制定提供依據。最終確定了合理的支護方案，并在含水破碎帶中應用，取得一定的成績。

1 工程背景

根據勘探孔資料，該豎井地下水主要分布在-910～-1 121 m 斷裂構造密集帶中，下部由于構造裂隙發育，其富水性較強，原巖巖性為弱片麻狀中粒二長花崗巖，巖石受構造作用，構造裂隙比較發育，形成了密集的裂隙發育帶。含水層厚度較大，富水性強，在豎井施工過程中涌水量較大。豎井井深1 500 m，凈直徑為6.7 m。其中，-1 000～-1 200 m穿過的地層巖性變化較大，中間有數條含水破碎帶及斷層等軟弱結構穿切，涉及的巖體范圍廣，地質條件復雜。后期受地表自然環境影響，建成后井徑部分仍有部分裂隙水流入。自建設以來，由于長期處于應力場變化的影響下，周邊工程環境趨于惡化。豎井周邊開采產生的開采擾動，以及深部自然條件下的微震隱患，對豎井穩定及礦山生產的長期穩定構成威脅。

2 巖石力學調查

在距離豎井25 m處，施工1條深658 m（-930～-1 588 m）的檢查鉆孔，收集鉆孔巖心（見圖1），對鉆孔及巖心進行調查（見圖2），對現場調查的相關參數進行整理，采用RMR巖體質量分級法對豎井-930～-1 280 m井筒圍巖進行地質力學分類[3]。

2.1 巖石質量指標

巖心中超過10 cm部分的長度總和與巖心總長度比值被廣泛應用于評價巖體的完整性，對巖體工程而言，該方法比較簡單，可有效評估巖體質量[4]，不同區域RQD值統計結果見表1。

2.2 巖體質量分級評價結果

對豎井周邊施工鉆孔得到的巖石情況、周邊環境及圍巖情況進行調查，以及根據勘察時期鉆孔巖心地應力測量和礦巖巖石力學性質試驗結果等[5]可得，各區域巖體質量分級評價結果見表2。

根據RMR巖體質量分級對應的支護方式[6] ，評價質量為一般的區域支護方式為：豎井周邊圍巖采用長度4 m的錨桿，間距1.5～2.0 m;井筒周邊金屬網支護，金屬網采用10號鋼筋，噴射厚50～100 mm的混凝土。評價質量為差的區域支護方式為：豎井周邊圍巖采用長度4 m的錨桿，間距1.0～1.5 m;井筒周邊金屬網支護，噴射厚100～150 mm的混凝土。

3 豎井圍巖穩定性分析

通過理論法對含水破碎段豎井建設期間圍巖的變形特性、潛在破壞形式及其機理等進行分析;采用基于巖體地質力學分類的穩定性圖表，對豎井深度-1 000～-1 200 m井筒圍巖的穩定性指標進行分析和判斷，為豎井建設及服役期井筒及其圍巖穩定性控制方案的制定提供依據。

3.1 變形特征

豎井掘進過程中井筒圍巖變形伴隨著壓力改變，通過應力折減模擬井筒開挖，以獲取井筒開挖過程中圍巖變形演化過程。在豎井井筒-967～-1 271 m區域選取8個測點對其進行井筒圍巖徑向位移（見圖3）分析，當將徑向支護強度提高到30 MPa以上時，豎井周邊圍巖徑向位移基本無變化。混凝土井壁至井筒掘進工作面裸露高度逐步增大，最大主應力也逐步增大，當混凝土井壁至井筒掘進工作面裸露高度為0～8 m時，最大主應力較小（見圖4）。

3.2 潛在破壞形式

該豎井-930～-1 271 m井筒穿過巖層為非高應力巖層（穩定巖層）、高應力巖層（非擠壓巖層、層裂或巖爆巖層），根據挪威地質力學學會提出的理論[7]可知，井筒圍巖潛在破壞形式包括結構面控制型破壞、開采活動誘發破壞、巖爆等，且多種破壞形

圖3 井筒徑向位移變化曲線

式頻繁轉換。

3.3 破壞形態及深度

采用三維激光掃描儀對井筒破碎段進行實測，以獲得不同深度豎井井筒圍巖的破壞區分布形態及深度。根據實測結果可知，該豎井-930～-1 271 m豎井井筒圍巖破壞形式為“耳狀”破壞，破壞最大深度為1.5 m。

3.4 自穩時間分析

根據巖體地質力學分類的穩定性圖表和RMR值估算未支護開挖體的自穩時間，結果見圖5。從圖5可以看出：根據該豎井的巖體地質力學分類，其-930～-1 271 m井筒圍巖在未支護的情況下能夠保持穩定的時間為10 h（RMR=36）;遠遠無法滿足生產所需的時間要求，因此必須對-930～-1 271 m 井筒圍巖采取適當的支護措施，保證該豎井施工的穩定與安全。

通過上述分析可知：-930～-1 271 m豎井含水破碎段圍巖主要發生冒落失穩破壞。影響含水破碎段豎井周邊圍巖穩定性的因素主要有：圍巖成分及其結構構造，地下水，豎井破壞的地壓類型，掘進爆破對圍巖的損傷等。破碎巖體巷道圍巖失穩機理主要體現在巖體強度、巖體力學響應特性的時間效應及支護設計不當等方面。巖體地質力學分類的穩定性圖表法表明，-930～-1 271 m豎井含水破碎段圍巖在無支護的條件下極不穩定，需要及時進行支護。

4 支護方法及井壁材料

傳統的淺埋豎井井筒圍巖支護設計主要以混凝土襯層聯合其他支護結構的剛性支護進行豎井井筒圍巖壓力控制[8]。 對深度-1 000～-1 200 m不同強度混凝土襯層厚度進行設計，經計算，安全系數曲線見圖6。

從圖6可以看出：以傳統淺埋豎井增大混凝土襯層厚度或提高混凝土強度等級進行豎井井筒圍巖壓力控制的理念已不再適用于深部豎井支護設計，尋找新的適宜深部豎井井筒支護的設計方法或井筒圍巖壓力的控制辦法勢在必行。本次深部豎井施工中，將混凝土井壁至井筒掘進工作面裸露高度由4 m增加到8 m，釋放了井筒圍巖冗余變形量，最終達到井壁不承壓的目的。

根據深部豎井井筒圍巖的地應力分布及井壁服役環境條件[9] ，設計多種類韌性、抗滲、防腐型混凝土，對不同種類混凝土進行工作和力學性能試驗，建立各種類混凝土與相關性能的定量模型，揭示混凝土服役過程中的力學行為，選擇性能優異的韌性、抗滲、防腐混凝土種類[10-11]。井壁采用厚350 mm的C40仿鋼纖維混凝土，既保證了井壁的強度和韌性，又增加了井壁在腐蝕環境中的耐久性，延長了井壁服務年限，降低了井壁維修費用，為后期深豎井井壁設計提供了技術保障。

根據該豎井的巖體地質力學分級及豎井圍巖穩定性分析結果，選擇采用臨時支護+混凝土澆筑的井壁結構對該豎井進行支護。其中，臨時支護為：采用厚50 mm的錨網噴，樹脂錨桿網度1.5 m×1.5 m、錨桿長 2.5 m、直徑 20 mm，鋼材等級HRB500，托盤規格 120 mm×120 mm×8 mm，樹脂藥卷采用全長錨固，錨固力不低于150 kN。棱形網或普通網，噴射厚50 mm的混凝土、井壁采用厚350 mm 的C40仿鋼纖維混凝土，維護了井筒施工期間圍巖的穩定，確保了工作面施工人員的安全。

5 支護效果

對含水破碎段豎井采用上述支護方式后，對豎井周邊圍巖變形進行了監測，在井筒周邊布置測點，收集并整理數據，以揭示豎井井筒周邊圍巖變形規律。

首先定義最初數值，然后定期進行監測。記錄監測結果，通過觀測變形量，來判斷采用新支護方式后，豎井井筒圍巖變化情況。選取典型測點位移變化進行分析，-1 080 m監測孔的累積位移數據見圖7。根據監測結果可知，累積變形基本都在孔口位置達到最大。對相鄰4個監測孔進行分析優化，每個監測孔施工8 m， 監測孔1、監測孔2未采用新支護方式，而監測孔3、監測孔4采用新支護方式。從圖7可以看出：監測孔1累積變形最大為10.4 mm，為拉伸變形;監測孔2累積變形最大為36.8 mm，為壓縮變形;監測孔3與監測孔4最大累積變形量較小且存在波動。截至2019年11月的監測數據表明，監測孔3與監測孔4累積變形量均不超過0.5 mm，變形量很小。這說明目前豎井變形十分有限，新支護方式起到了良好的作用。

6 結 語

本次在深部含水破碎段豎井施工中，將混凝土井壁至井筒掘進工作面裸露高度由4 m增加到8 m，釋放了井筒圍巖冗余變形量，最終達到井壁不承壓的目的。通過分析豎井-1 000～-1 200 m井筒圍巖巖石力學參數及變形量，確定采用臨時支護+混凝土澆筑的井壁結構，不僅使得破碎段圍巖保持穩定，而且為施工人員的安全提供了保障，為豎井安全運行提供了技術與理論保障。通過對豎井的多手段長期監測，表明當前在周邊采礦及其他工程擾動條件下可以保證豎井穩定性，在安全的基礎上實現經濟效益最大化，為礦山安全生產和產量銜接打下良好基礎。同時，有利于提高企業員工的安全保障和促進企業在良性環境下穩步發展，對解決類似條件礦山的支護問題起到了示范作用，可在同類型礦山中進行推廣應用。

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Abstract：The study takes a vertical shaft in the water-bearing fragmented section as the engineering background，carries out drill core geological survey，and analyzes the stability of the shaft wall rock in -1 000--1 200 m ?accor-ding to the stability diagram based on rock geological mechanical classification，in order to provide basis and reference for the plan making of shaft construction and in-service wall rock stability control.The concrete wall of the shaft wall rock in the water-bearing fragmented section is calculated，the new shaft wall rock support designs are proposed，and the deep vertical shaft support design notion of pressure-free concrete shaft is determined.The exposed height of excavation work face is increased to fully release the shaft wall rock pressure.Then，the shalt is supported by temporary support+concrete shaft wall structure and the effect is monitored in real-time.The results show that the support means can make it through the shaft water-bearing fragmented section.

Keywords：water-bearing fragmented section;shaft;rock mechanics;support;stability