含水破碎段井壁結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性分析及其支護(hù)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(zhì)調(diào)查，采用基于巖體地質(zhì)力學(xué)分類的穩(wěn)定性圖表，對-1 000～-1 200 m豎井井筒圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為井筒建設(shè)及服役期圍巖穩(wěn)定性控制方案的制定提供依據(jù)和基礎(chǔ)。對井筒含水破碎段圍巖的混凝土井壁進(jìn)行計算，提出新的井筒圍巖支護(hù)設(shè)計方法，確立了“混凝土井筒不承壓”的深部豎井支護(hù)設(shè)計理念，增加掘進(jìn)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(hù)+混凝土澆筑的井壁結(jié)構(gòu)對該豎井進(jìn)行支護(hù)，對支護(hù)效果進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)果表明，采用該支護(hù)方式能夠順利通過豎井含水破碎段。

關(guān)鍵詞：含水破碎段;豎井;巖石力學(xué);支護(hù);穩(wěn)定性

中圖分類號：TD35文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(yīng)力等特殊復(fù)雜的施工環(huán)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(jìn)度，保證安全可靠，應(yīng)將研究重點集中在圍巖控制、支護(hù)方法和支護(hù)材料等關(guān)鍵技術(shù)上[1] 。國內(nèi)外很多學(xué)者在金屬礦山含水破碎段深豎井井筒適配性井壁結(jié)構(gòu)與材料及其長期服役安全保障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一定的突破[2]。

國內(nèi)外學(xué)者雖然對井壁支護(hù)方法中的井壁支護(hù)厚度、網(wǎng)度、混凝土材質(zhì)等進(jìn)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(xiàn)施工困難、支護(hù)失穩(wěn)等現(xiàn)象，給支護(hù)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(qū)域，造成原有支護(hù)失穩(wěn)，采用多種加固支護(hù)方式后，效果仍然較差，導(dǎo)致該豎井停工，不僅影響工程進(jìn)度也對接續(xù)生產(chǎn)造成一定影響。因此，對含水破碎段豎井井壁結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行合理研究評價是地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深井施工面臨的一項難題。

本文在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，基于巖體地質(zhì)力學(xué)分類的穩(wěn)定性圖表，對-1 000～-1 200 m豎井圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為豎井建設(shè)及服役期圍巖穩(wěn)定性控制方案的制定提供依據(jù)。最終確定了合理的支護(hù)方案，并在含水破碎帶中應(yīng)用，取得一定的成績。

1 工程背景

根據(jù)勘探孔資料，該豎井地下水主要分布在-910～-1 121 m 斷裂構(gòu)造密集帶中，下部由于構(gòu)造裂隙發(fā)育，其富水性較強(qiáng)，原巖巖性為弱片麻狀中粒二長花崗巖，巖石受構(gòu)造作用，構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，形成了密集的裂隙發(fā)育帶。含水層厚度較大，富水性強(qiáng)，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(shù)條含水破碎帶及斷層等軟弱結(jié)構(gòu)穿切，涉及的巖體范圍廣，地質(zhì)條件復(fù)雜。后期受地表自然環(huán)境影響，建成后井徑部分仍有部分裂隙水流入。自建設(shè)以來，由于長期處于應(yīng)力場變化的影響下，周邊工程環(huán)境趨于惡化。豎井周邊開采產(chǎn)生的開采擾動，以及深部自然條件下的微震隱患，對豎井穩(wěn)定及礦山生產(chǎn)的長期穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

2 巖石力學(xué)調(diào)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(jìn)行調(diào)查（見圖2），對現(xiàn)場調(diào)查的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理，采用RMR巖體質(zhì)量分級法對豎井-930～-1 280 m井筒圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分類[3]。

2.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)

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(yīng)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(zhì)量[4]，不同區(qū)域RQD值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2.2 巖體質(zhì)量分級評價結(jié)果

對豎井周邊施工鉆孔得到的巖石情況、周邊環(huán)境及圍巖情況進(jìn)行調(diào)查，以及根據(jù)勘察時期鉆孔巖心地應(yīng)力測量和礦巖巖石力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果等[5]可得，各區(qū)域巖體質(zhì)量分級評價結(jié)果見表2。

根據(jù)RMR巖體質(zhì)量分級對應(yīng)的支護(hù)方式[6] ，評價質(zhì)量為一般的區(qū)域支護(hù)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(wǎng)支護(hù)，金屬網(wǎng)采用10號鋼筋，噴射厚50～100 mm的混凝土。評價質(zhì)量為差的區(qū)域支護(hù)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(wǎng)支護(hù)，噴射厚100～150 mm的混凝土。

3 豎井圍巖穩(wěn)定性分析

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

3.1 變形特征

豎井掘進(jìn)過程中井筒圍巖變形伴隨著壓力改變，通過應(yīng)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(qū)域選取8個測點對其進(jìn)行井筒圍巖徑向位移（見圖3）分析，當(dāng)將徑向支護(hù)強(qiáng)度提高到30 MPa以上時，豎井周邊圍巖徑向位移基本無變化?；炷辆谥辆簿蜻M(jìn)工作面裸露高度逐步增大，最大主應(yīng)力也逐步增大，當(dāng)混凝土井壁至井筒掘進(jìn)工作面裸露高度為0～8 m時，最大主應(yīng)力較?。ㄒ妶D4）。

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(yīng)力巖層（穩(wěn)定巖層）、高應(yīng)力巖層（非擠壓巖層、層裂或巖爆巖層），根據(jù)挪威地質(zhì)力學(xué)學(xué)會提出的理論[7]可知，井筒圍巖潛在破壞形式包括結(jié)構(gòu)面控制型破壞、開采活動誘發(fā)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(zhuǎn)換。

3.3 破壞形態(tài)及深度

采用三維激光掃描儀對井筒破碎段進(jìn)行實測，以獲得不同深度豎井井筒圍巖的破壞區(qū)分布形態(tài)及深度。根據(jù)實測結(jié)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(wěn)時間分析

根據(jù)巖體地質(zhì)力學(xué)分類的穩(wěn)定性圖表和RMR值估算未支護(hù)開挖體的自穩(wěn)時間，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：根據(jù)該豎井的巖體地質(zhì)力學(xué)分類，其-930～-1 271 m井筒圍巖在未支護(hù)的情況下能夠保持穩(wěn)定的時間為10 h（RMR=36）;遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足生產(chǎn)所需的時間要求，因此必須對-930～-1 271 m 井筒圍巖采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，保證該豎井施工的穩(wěn)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(fā)生冒落失穩(wěn)破壞。影響含水破碎段豎井周邊圍巖穩(wěn)定性的因素主要有：圍巖成分及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造，地下水，豎井破壞的地壓類型，掘進(jìn)爆破對圍巖的損傷等。破碎巖體巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理主要體現(xiàn)在巖體強(qiáng)度、巖體力學(xué)響應(yīng)特性的時間效應(yīng)及支護(hù)設(shè)計不當(dāng)?shù)确矫?。巖體地質(zhì)力學(xué)分類的穩(wěn)定性圖表法表明，-930～-1 271 m豎井含水破碎段圍巖在無支護(hù)的條件下極不穩(wěn)定，需要及時進(jìn)行支護(hù)。

4 支護(hù)方法及井壁材料

傳統(tǒng)的淺埋豎井井筒圍巖支護(hù)設(shè)計主要以混凝土襯層聯(lián)合其他支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛性支護(hù)進(jìn)行豎井井筒圍巖壓力控制[8]。 對深度-1 000～-1 200 m不同強(qiáng)度混凝土襯層厚度進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)計算，安全系數(shù)曲線見圖6。

從圖6可以看出：以傳統(tǒng)淺埋豎井增大混凝土襯層厚度或提高混凝土強(qiáng)度等級進(jìn)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(hù)設(shè)計，尋找新的適宜深部豎井井筒支護(hù)的設(shè)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(jìn)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(dá)到井壁不承壓的目的。

根據(jù)深部豎井井筒圍巖的地應(yīng)力分布及井壁服役環(huán)境條件[9] ，設(shè)計多種類韌性、抗?jié)B、防腐型混凝土，對不同種類混凝土進(jìn)行工作和力學(xué)性能試驗，建立各種類混凝土與相關(guān)性能的定量模型，揭示混凝土服役過程中的力學(xué)行為，選擇性能優(yōu)異的韌性、抗?jié)B、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(qiáng)度和韌性，又增加了井壁在腐蝕環(huán)境中的耐久性，延長了井壁服務(wù)年限，降低了井壁維修費(fèi)用，為后期深豎井井壁設(shè)計提供了技術(shù)保障。

根據(jù)該豎井的巖體地質(zhì)力學(xué)分級及豎井圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果，選擇采用臨時支護(hù)+混凝土澆筑的井壁結(jié)構(gòu)對該豎井進(jìn)行支護(hù)。其中，臨時支護(hù)為：采用厚50 mm的錨網(wǎng)噴，樹脂錨桿網(wǎng)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(guī)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(wǎng)或普通網(wǎng)，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(hù)了井筒施工期間圍巖的穩(wěn)定，確保了工作面施工人員的安全。

5 支護(hù)效果

對含水破碎段豎井采用上述支護(hù)方式后，對豎井周邊圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測，在井筒周邊布置測點，收集并整理數(shù)據(jù)，以揭示豎井井筒周邊圍巖變形規(guī)律。

首先定義最初數(shù)值，然后定期進(jìn)行監(jiān)測。記錄監(jiān)測結(jié)果，通過觀測變形量，來判斷采用新支護(hù)方式后，豎井井筒圍巖變化情況。選取典型測點位移變化進(jìn)行分析，-1 080 m監(jiān)測孔的累積位移數(shù)據(jù)見圖7。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，累積變形基本都在孔口位置達(dá)到最大。對相鄰4個監(jiān)測孔進(jìn)行分析優(yōu)化，每個監(jiān)測孔施工8 m， 監(jiān)測孔1、監(jiān)測孔2未采用新支護(hù)方式，而監(jiān)測孔3、監(jiān)測孔4采用新支護(hù)方式。從圖7可以看出：監(jiān)測孔1累積變形最大為10.4 mm，為拉伸變形;監(jiān)測孔2累積變形最大為36.8 mm，為壓縮變形;監(jiān)測孔3與監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測孔3與監(jiān)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(hù)方式起到了良好的作用。

6 結(jié) 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(jìn)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(dá)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(xué)參數(shù)及變形量，確定采用臨時支護(hù)+混凝土澆筑的井壁結(jié)構(gòu)，不僅使得破碎段圍巖保持穩(wěn)定，而且為施工人員的安全提供了保障，為豎井安全運(yùn)行提供了技術(shù)與理論保障。通過對豎井的多手段長期監(jiān)測，表明當(dāng)前在周邊采礦及其他工程擾動條件下可以保證豎井穩(wěn)定性，在安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，為礦山安全生產(chǎn)和產(chǎn)量銜接打下良好基礎(chǔ)。同時，有利于提高企業(yè)員工的安全保障和促進(jìn)企業(yè)在良性環(huán)境下穩(wěn)步發(fā)展，對解決類似條件礦山的支護(hù)問題起到了示范作用，可在同類型礦山中進(jìn)行推廣應(yīng)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