深豎井基巖段支護計算方法探討

郭相參，趙 亮，杜貴文，孫 揚

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

應用研究·黑色礦山·

深豎井基巖段支護計算方法探討

郭相參1，趙 亮2，杜貴文1，孫 揚1

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

深豎井的圍巖應力往往很高而且復雜多變，給井筒支護帶來極大的難題，支護不當會造成重大損失。基于平面應變理論計算開挖后的二次應力，根據支護與圍巖共同承載的原則，用地層結構法確定圍巖和支護所承擔的應力比例，并以薄壁圓筒理論或厚壁圓筒理論計算支護參數，利用Midas GTS NX進行模擬驗證。結果表明，這一方法能夠快速得到井壁壓力，為井筒支護提供一種思路和方法，對井筒支護參數的合理設計具有一定實際意義和工程價值。

深豎井； 高地應力； 二次應力； 自支承能力； 共同承載

1 前言

目前，豎井支護通常采用工程類比法。隨著采礦技術的發展，金屬礦山的開采逐漸向深部過渡。高地應力、高地溫、高水壓已經成為深豎井的致災因素。“三高”問題給深豎井的支護帶來極大挑戰。鑒于特殊的建設環境，工程類比法已不能很好解決深豎井的支護問題，其要么對圍巖自支承能力考慮不足，造成支護材料浪費，增加支護成本；要么支護強度不夠，導致井壁破壞，影響工程進度，甚至影響礦山的生產運營，損失慘重。針對這一難題，深豎井可按平面應變問題求解井筒開挖后的二次應力，利用地層結構法原理計算井壁壓力，根據薄壁圓筒理論或厚壁圓筒理論初步確定井壁參數。根據工程地質勘察報告，建立數值三維模型進行模擬。綜合考慮多種不利因素確定井壁參數，并對其進行驗證。

2 井壁壓力確定

井筒支護原則是充分發揮圍巖的自支承能力，由圍巖與井壁共同承擔井筒開挖后的二次應力。通過地層結構法原理確定圍巖所承擔的二次應力大小，而剩余的應力則由井壁來承擔，該剩余的應力就是需要計算的井壁壓力。

2.1 圍巖二次應力

一般認為，井筒的掘進為圍巖變形提供了自由面，其原始靜力平衡狀態被打破，原巖應力場發生重分布，產生二次應力。對于穩定的中硬巖層，若不計井壁與圍巖之間摩擦力，圍巖自由面附近的二次應力求解可簡化為二向非等壓彈性平面應變問題[1]，如圖1所示。

圖1 二次應力計算模型圖

(1)

式中：q0——自由面上的二次應力或釋放荷載值，MPa；

Pk=SH或Sh，MPa；

SH、Sh——分別為水平主應力最大值、最小值，MPa；

μ——圍巖體泊松比；

E——圍巖體彈性模量，MPa；

μc——支護材料泊松比；

Ec——支護材料彈性模量，MPa；

r1——井筒外半徑，m；

r0——井筒內半徑，m；

χ——圍巖常數，χ=3-4μ；

χc——支護材料常數，χc=3-4μc。

2.2 井壁壓力

根據地層結構法的原理，深豎井支護計算可簡化為平面應變問題，將圍巖和井壁視為共同承載的統一體系，在滿足變形協調的邊界條件下分別計算圍巖應力和井壁內力，并以此驗證圍巖的穩定性和確定井壁參數。采用地層結構法計算時，可通過對二次應力設置分擔比例ζ控制“圍巖+初期支護”的受力，以使“圍巖+初期支護”和井壁能按較為合理的分擔比例共同承受二次應力的作用，具體分擔比例ζ可參考表1[2]。

表1 釋放荷載分擔比例表

根據工程經驗，Ⅰ～Ⅲ級圍巖具有較強的自支承能力，Ⅳ～Ⅴ級圍巖則可以實施錨網支護來提高其自支承能力。“圍巖+初期支護”的釋放荷載分擔比例ζ，應通過圍巖條件及初期支護強度確定，則井壁壓力設計值為：

q=γ0γG(1-ζ)q0

(2)

式中：q——井壁壓力設計值，MPa；

γ0——結構重要性系數；

γG——永久荷載分項系數；

ζ——“圍巖+初期支護”釋放荷載分擔比例。

3 井壁參數的確定

3.1 井壁厚度[3～4]

對于井筒支護計算，直徑小于7m及采用凍結法施工的常采用厚壁圓筒理論；直徑大于7m的常采用薄壁圓筒理論。

(3)

(4)

(5)

式中：d——井壁厚度，m；

fc——混凝土軸心抗壓強度設計值，MN/m2。

3.2 井壁橫向穩定性

為保證井壁的橫向穩定性，其長細比不得超過下列規定[3]：

(6)

(7)

式中：L0——井壁圓環的橫向換算長度，按L0=1.82r計算，m；

r——井壁中心半徑，r=r0+0.5d，m。

3.3 井壁圓環內力

在基巖段，深豎井井筒常受到最大、最小主應力的作用，其井壁內力應按不均勻側壓力簡化模型進行計算，如圖2所示。

圖2 不均勻側壓力作用下井壁內力計算圖

如圖2所示，不均勻壓力作用下A、B兩點的內力[3]：

NA=bqAr1(1+0.758α)

(8)

NB=bqAr1(1+0.5α)

(9)

(10)

(11)

式中：α——不均勻側壓力系數，取α=10%；

NA、NB——分別為A、B截面處的軸向力設計值，MN；

MA、MB——分別為A、B截面處的彎矩設計值，MN·m；

qA、qB——分別為A、B點的井壁壓力設計值，qA

b——井壁構件計算寬度，常取b=1m。

3.4 井壁圓環承載力

取圖2中A、B兩點內力較大的進行偏心距和承載力計算。混凝土井壁承載力按下列公式[3]驗算，當偏心距e≤0.9Y0時：

(12)

若按式(12)計算，當e≥0.45Y0時，混凝土受拉區須構造配筋，配筋率不小于截面面積的0.05%。當偏心距e≥0.45Y0時：

(13)

Y0——截面重心至受壓區邊緣的距離，m；

ft——井壁材料抗拉強度設計值，MN/m2；

φ——混凝土構件穩定系數，按表2選取。

表2 混凝土構件穩定系數

4 豎井設計實例

4.1 工程概況

國內某鐵礦豎井，凈直徑為10m，井筒深度1 498m，井深1 050m以下圍巖為混合花崗巖。進行豎井工程地質勘察時對全井原巖應力進行了測量，通過巖石力學試驗取得了圍巖體的變形參數。該井深部原巖應力及圍巖體變形參數如表3所示。

表3 井筒原巖應力及圍巖變形參數

結合副井工況，確定錨桿為φ22mm×3m，間距1m×1m，井壁材料為C40級混凝土。“圍巖+初期支護”分擔的釋放荷載的比例按75%考慮。

4.2 井壁壓力及支護參數計算

將表3中的數據代入式(1)～(2)，可以求得井壁A、B兩點的壓力，如表4所示。

豎井直徑大于7m，應采用薄壁圓筒理論計算井壁厚度。將表4中的數據代入式(3)、式(6)，可以求得井壁厚度計算結果，如表5所示。

根據表5計算結果，初步確定井壁厚度為450mm。

4.3 數值模擬

結合工程地質勘察報告，利用Midas GTS NX對井筒建立長×寬×高=80m×80m×50m的三維模型，見圖3。考慮圍巖受裂隙、地下水、爆破等影響，將巖塊的物理力學參數指標折減成巖體的物理力學指標，重度和泊松比不折減，抗壓強度按0.7折減，其余參數按0.75折減。用桁架單元模擬，錨桿鉆孔取40mm，錨桿復合彈性模量計算的83GPa。井壁厚度為450mm。模擬結果如圖4所示。

表4 井壁壓力計算結果

表5 井壁厚度計算結果

圖3 數值模型圖

圖4 襯砌應力模擬結果

結果顯示，井壁應力介于-2.52～-7.97N/mm2之間，均小于井壁材料的設計強度值，說明在考慮圍巖充分承擔二次應力的條件下，該厚度的井壁是安全可靠的。考慮到井壁受高地溫、高水壓、爆破、施工等因素的不利影響，確定井壁厚度為600mm。

4.4 井壁承載力驗算

將井壁壓力及參數代入式(8)～(11)，可以求得A、B兩點的內力，如表6所示。

表6 井壁內力計算結果

根據表6計算結果，取A點內力進行井壁偏心距和承載力驗算，驗算結果如表7所示。

4.5 支護參數確定

根據上述計算結果，該豎井基巖段支護參數確定為錨網一次支護+600mm厚混凝土二次支護。錨桿為φ22mm×3m，間距1m×1m。托板為δ=12mm，S=180mm×180mm；金屬網采用φ6.5mm圓鋼，網度為150mm×150mm。

表7 井壁承載力驗算結果

該豎井自建設完成半年以來，井壁無破壞，完整性好，表明用此方法計算井壁支護在實際應用中取得了良好的效果。

5 結語

(1)引用彈性平面應變問題求解井筒掘進后的二次應力，并以地層結構法原理確定圍巖和井壁所承擔的二次應力的比例，以此計算井壁壓力，使井筒支護設計經濟合理。

(2)根據井壁壓力結果，計算不均勻側壓力作用下的井壁厚度和內力，利用Midas GTS NX對計算結果進行模擬驗算。根據數值模擬驗證結果，并考慮不利影響因素，最終確定井壁參數，并對井壁的承載力進行驗算，使深豎井支護設計有了安全性保障。

(3)深豎井建設遇到“三高”問題，對設計和施工都將產生一定的影響。設計方面，傳統的設計方法已不能很好解決深豎井支護問題，也是不科學的，本文所提出的方法為井筒支護提供了一種思路和方法，可供相似豎井設計參考。施工方面，應加強巖爆預測預報；應堅持“有疑必探、先治后掘”的防治水方針，采取“防、堵、疏、排、截”綜合治理措施；可采用加強通風、人工制冷、冰塊、個體防護等多種措施來降低作業環境溫度。通過設計和施工方面的一系列措施，為深豎井建設提供了條件。

[1] 徐干成，等.地下工程支護結構[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2] JTG D70- 2004，公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 北京有色冶金設計研究總院.采礦設計手冊(3)井巷工程卷 [M].北京：中國建筑工業出版社，1989.

[4] GB 50384- 2007，煤礦立井井筒及硐室設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

Calculation method discussion of deep shaft bedrock section support

Usually, the initial stress of surrounding rock is high and much changeable, which brings great difficulty to shaft support. If the support isn’t reasonable, it will result in serious losses. Based on the theory of plane strain, the secondary stress can be inferred. According to the principle of support and surrounding rock work together, the scale of stress between surrounding rock and support was modulated through stratum structure method, and the supporting parameters were determined with thin-cylinder theory or thick-cylinder theory, which was verified by Midas GTS NX. The application showed that this method can get supporting force quickly, which provided an idea or method for shaft support, and it is significant in practice and valuable in engineering for the correct design of shaft supporting parameters.

deep shaft; high ground stress; secondary stress; self-supporting capacity; bearing together

TD350.1

A

郭相參(1983-)，男，河南泌陽人，工程師，主要從事深埋高地應力隧(巷)道卸壓支護技術及巖土和井巷工程建設方面的研究與設計工作。