松散圍巖井筒支護技術(shù)研究

劉全輝 李保君

（1.陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

松散破碎圍巖，如風(fēng)積巖、強風(fēng)化中粒長石砂巖、輕砂質(zhì)黏土、碎石土、破碎的頁巖[1]，該類圍巖結(jié)構(gòu)本身比較松散破碎，在施工過程中容易出現(xiàn)大變形、地面塌陷和支護困難。學(xué)者們在大量工程實踐中提出砌碹支護和錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護技術(shù)，可有效地調(diào)整圍巖的應(yīng)力分布，并限制圍巖變形的自由發(fā)展[2]，以達到防止巖體松散墜落的目的，但支護參數(shù)[3]多是根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗來確定，影響掘進速度和支護成本。山西晉煤集團沁水胡底煤礦針對松散圍巖變形量大的問題[4]，對圍巖變形規(guī)律和破壞特征進行分析，確定合理的圍巖控制技術(shù)及支護參數(shù)；貴州某礦面臨圍巖軟化問題[5]，軟巖破碎段采用料石砌碹+U 型鋼+噴砼+金屬網(wǎng)進行強化支護；賀陡溝煤礦井筒圍巖層理復(fù)雜，嚴重破碎，井筒變形過大，支護技術(shù)復(fù)雜。

可可蓋礦井主副斜井是松散圍巖，地質(zhì)較復(fù)雜，井筒圍巖變形量大，支護難度大。為研究松散煤巖層井筒的支護技術(shù)，對可可蓋礦井主副斜井各分段進行了支護參數(shù)設(shè)計研究。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

可可蓋煤礦是陜西延長石油榆林煤化有限公司榆橫煤基芳烴項目的配套供煤礦井[6]。可可蓋煤礦主、副斜井明槽段為風(fēng)積沙以及風(fēng)化巖層，綜掘段為松散層以及風(fēng)化巖層，穩(wěn)定性較差。明槽段主、副斜井井筒從井口至水平長度350 m 處采用直墻半圓拱形斷面，普通法施工。明槽段表土層為風(fēng)積沙，采用大型挖掘機配以裝載機開挖。綜掘段明槽轉(zhuǎn)暗硐段處于洛河組強風(fēng)化地層，井筒斷面為半圓拱+反底拱，長度150 m，采用鋼拱架網(wǎng)噴+鋼筋混凝土砌碹復(fù)合支護。

2 明槽段支護參數(shù)設(shè)計

2.1 明槽段砌碹支護參數(shù)理論分析

明槽段的混凝土砌碹結(jié)構(gòu)更多的是承受靜荷載，砌碹結(jié)構(gòu)具體參數(shù)及其穩(wěn)定性按照結(jié)構(gòu)力學(xué)法[7]進行初步計算。砌碹結(jié)構(gòu)按圓形分析，按最大埋深35 m 取載荷P=1 MPa。

1）薄壁圓筒厚度計算公式[8]：

式中：h為井壁厚度，mm；r為井筒凈半徑，取3500 mm；P為地壓，取1 MPa；fc為井壁材料的設(shè)計強度，N/mm2；vk為設(shè)計荷載系數(shù)，取1.4。選用的混凝土強度等級為C40，取設(shè)計強度fc=40 N/mm2，得到h=127 mm。

2）井壁穩(wěn)定性的驗算

保證圓環(huán)穩(wěn)定的基本條件：

式中：h為井壁厚度，mm；L0為井壁圓環(huán)的換算長度，mm。視井壁圓環(huán)為三鉸拱結(jié)構(gòu)，則L0=1.814r0。r0為井壁中心半徑，取r0=r=3500 mm。通過計算可知，L0=6349 mm，井壁厚度h=212 mm可滿足穩(wěn)定性要求。保證砌碹穩(wěn)定性的驗算必須滿足下式：

式中：Pk為圓環(huán)失穩(wěn)的臨界壓力，MPa；E為井壁材料的彈性模量，取3.25×104N/mm2；I為井壁縱截面慣性矩，mm4，I=bh3/12；b為截面單位高度，取1 mm；vc為混凝土泊松比，取 0.2。vk為穩(wěn)定性計算安全系數(shù)，取1.4；P為計算深度處的井壁側(cè)壓力，取1 MPa。代入反求砌碹厚度h=192 mm。

3）按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》6.2.5條第二款：

式中：t為井壁厚度，mm；rn為計算處井筒內(nèi)半徑，取rn=r=3500 mm；P為作用在井壁上的荷載計算值，MPa；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，取fc=40 N/mm2；fs為井壁材料強度設(shè)計值；ρmin為最小配筋率，取ρmin=0.004；f 'y為鋼筋強度設(shè)計值，取f 'y=270 N/mm2；Pk為均勻載荷標(biāo)準(zhǔn)值，取Pk=1 MPa。將r=3500 mm，選用C40 混凝土，代入上式，得到h=t=126 mm。

經(jīng)過上述3 種理論計算，考慮載荷的變化和安全系數(shù)的要求，砌碹厚度需取大值，明槽段混凝土砌碹厚度最低要求為212 mm。

2.2 不同支護下井筒變形規(guī)律

對于明槽段的地壓計算方法常用的有松散體理論、懸浮體理論和重液地壓公式[9]。

當(dāng)非彈性變形區(qū)內(nèi)發(fā)生塑性流動時，將產(chǎn)生變形地壓[10]。此時，把砌碹視為厚壁圓筒，根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出砌碹上壓力和變形關(guān)系表達式：

式中：Pa為砌碹外側(cè)所受的壓力，MPa；ub為砌碹外表面的徑向變形，m；ra、rb分別為砌碹內(nèi)外半徑，m；Eb為砌碹材料的彈性模量，MPa。

根據(jù)圍巖與砌碹相互作用原理[11]，利用井筒砌碹反力與井筒位移的關(guān)系式，可計算井筒周邊位移，計算公式：

式中：μa為井筒圍巖的徑向位移，m；rb為襯砌外半徑，可近似取襯砌內(nèi)半徑，即ra=rb，m；pb為襯砌對圍巖的反力，pa=pb，MPa；G為剪切模量；p0為原巖應(yīng)力；C為圍巖的內(nèi)聚力，MPa；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角。

明槽段按最大埋深35 m 的表土層計算井壁位移開挖半徑ra=rb=3.2 m，內(nèi)摩擦角φ=8°，內(nèi)聚力C=0.02 MPa，黏土層剪切模量G=2200 MPa，原巖應(yīng)力取p0=1 MPa，襯砌對圍巖的反力pa=pb=0.45 MPa，根據(jù)上文井壁支護厚度計算取300 mm，計算得到ua=0.002 6 m，Pa=2.17 MPa。將不同井壁支護厚度帶入得到不同砌碹厚度下的圍巖作用力以及位移如下表1 所示。

表1 不同砌碹厚度下的圍巖作用力以及位移

2.3 明槽段支護參數(shù)數(shù)值模擬研究

以主斜井明槽表土段為工程背景，選取了井筒表土段最下端埋深10 m 建立有限元原始數(shù)值模型，采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，對比分析不同錨桿支護方案對各個巷道穩(wěn)定性控制的效果。

在確定井筒斷面時，結(jié)合工程類比法，對井筒明槽段采用鋼筋砼砌碹的支護方式，混凝土等級為C40，鋪底混凝土等級為C30，選擇砌碹300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm 五個支護方案進行數(shù)值計算。計算結(jié)束后對數(shù)值模型進行處理分析。不同方案模型經(jīng)模擬計算，巷道圍巖變形圖如圖1 所示。

圖1 不同砌碹厚度下井筒圍巖位移云圖

從圖1 中可以看出，等位移曲線在垂直方向上呈橢圓狀向外擴散，說明受開挖擾動最大的部位將是井筒的中部。在水平方向上基本呈對稱分布，井筒上半段位移比下半段位移量大，其中位移量最大的地方位于井筒明槽段埋深最大處的頂部。

不同砌碹厚度下井筒周邊位移變化曲線如圖2。

圖2 不同砌碹厚度下井筒表面位移

由圖2 可知，井筒周邊的最大位移量和平均位移量都隨著砌碹厚度的增大而減小。當(dāng)砌碹厚度增加到500 mm 時，井筒表面位移與砌碹厚度400 mm時圍巖表面變形變化幅度減小，下降斜率趨于穩(wěn)定，支護效果增強不明顯而成本增加。綜合考慮設(shè)計要求、井筒穩(wěn)定性和支護難易程度，井筒明槽段的砌碹厚度定為450 mm，較原支護參數(shù)減少50 mm。

3 綜掘段支護參數(shù)設(shè)計

3.1 綜掘段支護參數(shù)理論分析

綜掘段的噴射混凝土結(jié)構(gòu)主要以靜荷載為主，具體參數(shù)及其穩(wěn)定性的計算方法以結(jié)構(gòu)力學(xué)法進行計算。

1）薄壁圓筒厚度計算

噴射混凝土結(jié)構(gòu)按圓形分析，按最大埋深50 m取載荷1.5 MPa。選用的混凝土強度等級為C40，將井筒參數(shù)代入式（1），r為井筒凈半徑，取4500 mm；P為地壓，取1.5 MPa；fc為井壁材料的設(shè)計強度，N/mm2；vk為設(shè)計荷載系數(shù)，取1.4。選用的混凝土強度等級為C40，取設(shè)計強度fc=40 N/mm2，得到h=249 mm。

2）井壁穩(wěn)定性的驗算

由圓環(huán)穩(wěn)定的基本表達式（2），通過計算可知，噴射混凝土厚度h=272 mm，可滿足穩(wěn)定性要求。對井壁環(huán)向穩(wěn)定性進行驗算，保證噴射混凝土穩(wěn)定性的驗算必須滿足表達式（3），將E=3.25×104N/mm2、h=4500 mm、vc=0.2、I=bh3/12、b=1 mm、vk=1.4、P=1.5 MPa 等代入反求噴射混凝土厚度需h=282 mm。

3）按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》，將Pk=1.5 MPa，rn=r=4500 mm，fc=40 N/mm2，ρmin=0.004，f 'y=270 N/mm2，選用C40 混凝土，代入式（4）得到h=249 mm。經(jīng)過上述3 種理論計算，綜掘段噴射混凝土厚度最低要求為282 mm，考慮載荷的變化和安全系數(shù)的要求，噴射混凝土厚度需大于300 mm。

3.2 井筒圍巖變形規(guī)律

結(jié)合井筒穩(wěn)定需求情況、巖石的實際賦存情況和巖石力學(xué)實驗結(jié)果，通過Hooke 定律求得彈性層應(yīng)力場，并根據(jù)巖體的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有的相似變化規(guī)律，可得到井筒圍巖承載層范圍流動層半徑為f，塑性軟化層半徑為e，塑性硬化層半徑為R，其計算公式如下：

結(jié)合井筒穩(wěn)定需求情況、巖石的實際賦存情況和巖石力學(xué)實驗結(jié)果：

計算得井筒圍巖承載層范圍如下表2 所示。

表2 井筒圍巖各分層及塑性區(qū)承載區(qū)范圍統(tǒng)計表 m

3.3 井筒圍巖支護驗算

根據(jù)井筒圍巖分區(qū)，采用300 mm 厚的鋼拱架網(wǎng)噴支護作為井筒綜掘段的第一層支護，噴射混凝土采用C20 混凝土，噴射混凝土支護阻力計算公式：

式中：τcm為噴射混凝土抗剪強度，取2.88 MPa；tcm為噴射厚度，取0.15 m；αcm為外壁混凝土破壞角，取30°；r為砌碹半徑，取4.5 m。

代入可得Pcm=0.19 MPa。

鋼拱架拱梁及柱腿均采用I25a 號工字鋼，工字鋼的支護阻力：

式中：la為支架跨度，9.13 m；lb為柱腿高度，3.15 m；θ2為拱梁與井筒中心的角度，120°；qa為垂直載荷集度，qb為水平載荷集度，qa=qb=0.015 kN/m2；r=4.5 m。

代入可得Pc=0.24 MPa。

采用400 mm 厚的鋼筋混凝土砌碹作為井筒綜掘段的第二層支護，采用C40 混凝土，τsm取4.46 MPa，tsm取0.40 m，r取4.2 m，αsm取30°，帶入式（10）可求得第二層支護的支護阻力：Psm=0.85 MPa，則總支護阻力：P=Pcm+Pc+Psm=1.28 MPa。

由主副斜井井筒圍巖參數(shù)可得圍巖支護結(jié)構(gòu)與圍巖承載體耦合的極限承載強度：

式中：b為塑性承載層厚度，取6.74 m；r為井筒凈半徑，取4.5 m；φ1*為圍巖內(nèi)摩擦角，取30°；c1

*為支護后圍巖黏聚力，取3 MPa。代入可得q=17.53 MPa。

在井筒開挖后，出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)取4，則最大應(yīng)力為1.5×4=6 MPa，結(jié)構(gòu)的極限承載強度17.53 MPa，大于圍巖的原巖應(yīng)力6 MPa，該承載結(jié)構(gòu)能長期維持井筒穩(wěn)定。

3.4 綜掘段支護參數(shù)數(shù)值模擬研究

取綜掘段井筒埋深最深處建立水平模型進行研究，井筒斷面為半圓拱+反底拱，模型下表面垂直位移固定。井筒綜掘段主要研究不同噴射混凝土厚度下的支護效果，選擇噴射混凝土厚度300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm 五個支護方案進行數(shù)值計算。分析結(jié)果如下：

分別建立不同噴射混凝土厚度條件下井筒穩(wěn)定性分析數(shù)值模型，以分析不同噴射混凝土厚度條件下井筒圍巖及兩幫的變形量。井筒圍巖變形圖如圖3 所示。

圖3 不同噴射混凝土厚度下井筒圍巖位移云圖

從圖3 中可以看出，受開挖擾動最大的部位將是井筒的頂?shù)装濉Ｔ谒椒较蛏匣境蕦ΨQ分布，井筒下半段位移比上半段位移量大，其中位移量最大的地方位于井筒綜掘段的底板。

通過FLAC3D數(shù)值計算，在井筒橫截面用十字布點法，記錄固定監(jiān)測點，得到不同支護方案井筒變形曲線圖，將模擬得到的五種方案下井筒變形曲線中的數(shù)據(jù)匯總，得到井筒圍巖變形量如圖4。

圖4 不同噴射混凝土厚度下井筒表面位移

由圖4 可知，在噴射混凝土厚度由300 mm 增加到350 mm 時井筒圍巖變形量變化顯著，井筒表面位移下降斜率最大；噴射混凝土厚度由350 mm增加到500 mm 時，井筒圍巖緩慢減小，井筒表面位移下降斜率趨于平穩(wěn)，下降斜率變化不大，同時增加了支護成本；在噴射混凝土厚度400 mm 時已可以很好地控制圍巖。因此，綜合考慮井筒綜掘段的噴射混凝土厚度定為400 mm。

4 礦壓觀測結(jié)果

在明槽段和綜掘段采用十字布點法對井筒表面位移進行監(jiān)測。分別在井筒的頂板和左側(cè)幫的中部安裝激光測距儀并在對應(yīng)的底板和右側(cè)幫位置布置反光板，分別測量井筒頂板到底板、井筒左幫到井筒右?guī)捅O(jiān)測點的移進量，觀測時間為30 d，觀測周期為每天觀測一次，分別得到明槽段和綜掘段表面位移監(jiān)測曲線如下圖5 和圖6。

圖5 明槽段巷道表面位移監(jiān)測曲線

圖6 綜掘段巷道表面位移監(jiān)測曲線

由圖5 和圖6 可知，明槽段主斜井頂?shù)装灞砻婵偽灰谱畲鬄?.71 mm，兩幫總位移量最大為1.24 mm；副斜井井筒的頂?shù)装灞砻婵偽灰谱畲鬄?.7 mm，兩幫總位移最大為1.23 mm，達到平衡狀態(tài)。綜掘段主斜井井筒的頂?shù)装灞砻婵偽灰谱畲鬄?.92 mm，兩幫總位移量最大為1.24 mm；副斜井井筒的頂?shù)装灞砻婵偽灰谱畲鬄?.87 mm，兩幫總位移最大為1.25 mm，達到平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）明槽段采用鋼筋混凝土砌碹的支護形式。通過計算得到了明槽段鋼筋混凝土砌碹厚度最低要求，并得出不同砌碹厚度下碹體作用力以及位移量，通過數(shù)值模擬對比井筒圍巖變形量，確定了明槽段砌碹厚度。

2）綜掘段采用U 型鋼棚+錨網(wǎng)噴的聯(lián)合支護形式。通過計算得到了綜掘段噴射混凝土厚度最低要求，對井筒圍巖各分層的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，建立了井筒承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，驗算了承載體結(jié)構(gòu)的支護阻力滿足井筒穩(wěn)定的需求。通過數(shù)值模擬對比井筒塑性區(qū)、圍巖應(yīng)力和井筒變形量要求后，確定綜掘段噴射混凝土厚度。

3）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，明槽段最大表面位移為1.71 mm，綜掘段最大表面位移為1.92 mm，數(shù)據(jù)均在設(shè)計范圍內(nèi)，證明此支護技術(shù)的參數(shù)設(shè)計可靠合理。