思山嶺豎井井壁圍巖控制與支護優化

程 力 王劍波 趙 杰 王 璽 李桂林

（山東黃金礦業科技有限公司深井開采實驗室分公司，山東煙臺264000）

隨著我國礦業的迅猛發展，礦山淺部資源日益減少，許多礦山都向深部發展［1］。由于深部巖體處于復雜、高應力的工程地質環境，使深部巖體表現出的力學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結構相互作用問題亟待解決。國內外許多專家學者進行了大量的研究，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設計中，部分學者對井壁厚度設計方法及支護系統穩定性進行研究并取得相關成果［7-9］，為此，本研究以思山嶺豎井為例，從深部高應力下井壁圍巖控制與支護優化來進行研究，為該豎井施工提供科學指導。

1 高地應力下井壁圍巖控制

1.1 井壁強度檢驗

思山嶺鐵礦SJ1（副井）工程井筒設計凈直徑10 m，設計深度1 497.7 m，井口標高＋215.2 m，井底標高-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、施工機械化、施工組織和施工管理等方面的科學、高水平的標準之外，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。

目前國內發生的井壁破裂基本上表現出剪切破裂的特征，故此處采用庫倫—維納爾強度準則進行井壁安全性檢測［10］。

庫倫維納爾準則：

式中，σ1、σ3分別為最大主應力、最小主應力；f為內摩擦因數，

σc為混凝土軸心抗壓強度，此處取C40混凝土設計值19.1 MN/m2；σt為混凝土軸心抗拉強度，此處取C40混凝土設計值1.71 MN/m2；由上式可得，f=1.52，C=2.86MPa。

定義井壁安全系數λ為

井壁上的最小主應力值約為0，將上述相關參數代入式（1）中，可得H=1 000、1 200、1 400 m處的數據如下：

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，根據監測結果應力釋放系數為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的安全系數分別為1.26、1.36、1.04。井壁結構在H=1 000 m、H=1 200 m處是相對穩定的，但當井深H=1 400 m時，混凝土井壁存在破裂的風險，需要加強支護來保證井壁結構的穩定性。

1.2 井壁結構優化

對于思山嶺豎井1 000 m以上的井壁結構，經現場監測發現，井壁圍壓遠小于C40混凝土的單軸抗壓強度，采用厚600 mm的C40混凝土是合理的，井壁結構優化主要針對井筒深度1 000～1 500 m區段。井壁結構強度主要受井壁厚度和井壁材料強度影響，增大井壁厚度使得豎井開挖后巖體裸露面增大，高地應力場下不利于井筒圍巖的穩定，且增大井壁厚度并不能明顯改變圍巖塑性區半徑，所以優化井壁材料方案較為科學。

現采用C50、C60、C70高強度混凝土和C40鋼纖維混凝土的井壁結構進行對比分析，經查閱資料發現，C40鋼纖維混凝土的抗壓強度較普通混凝土提高0～25%，抗拉強度較普通混凝土提高40%～80%，不同支護材料的詳細參數見表1［11］。

混凝土井壁結構由FLAC3D中添加殼單元實現，不同井壁結構對應不同彈性模量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構建不同強度井壁模型，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，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力邊界條件，Y方向上施加最小水平主應力邊界條件。開挖方式為1次開挖后立即支護，提取井壁殼單元中的最大主應力云圖，見圖1。

根據數值分析結果，使用不同的井壁支護材料，井筒開挖后圍巖對井壁的作用力不同。當井筒開挖到井深1 400～1 500 m時，假設不考慮圍巖開挖應力釋放，C50、C60、C70、C40鋼纖維混凝土井壁結構上的最大主應力分別為47、49.4、50.5、48.2 MPa。根據豎井監測結果，當應力釋放系數為0.6時，作用在井壁結構上的最大主應力分別為18.8、19.76、20.2、19.28 MPa，代入式（2），不同支護材料的井壁安全系數 λ分別為1.22、1.4、1.57、1.53。優化后的井壁結構均能保持穩定，使用C70高強混凝土的穩定性最好，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，抗拉強度較C70大，所以優化后的井壁結構使用C40鋼纖維混凝土井壁結構。井深1 400 m時C40混凝土井壁支護和鋼纖維混凝土支護下圍巖位移見圖2所示。

優化后的支護結構圍巖位移較之前減少1.8 mm，支護圍巖總位移在10 mm以內，位移較小，支護后圍巖能夠保持穩定。思山嶺豎井1 500 m井壁結構優化后見表2。

2 支護施工順序的確定

豎井開挖后支護時間的選擇對支護結構的受力有很大影響，支護時間過早，可使圍巖塑性區變小，但支護結構承受較大的支護力。支護時間過晚，圍巖可能會發生松動破壞，支護效果不佳。最佳的支護時機即最大限度地調動圍巖的承載能力，同時對支護結構的壓力降為最小［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，支護高度4.5 m；當井筒開挖到1 000 m，支護方式改為600 mm厚鋼纖維混凝土。若使支護結構上承受的力更小，提高井壁結構的穩定性，優化后采用2次開挖（4.5 m）、1次支護（4.5 m）的方式。繪制支護-圍巖特性曲線［4］見圖3。

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

3 結論

（1）利用統一強度準則估算豎井極限破壞深度約為600 m，對井深600～1 500 m深部的井筒襯砌進行數值模擬，確定不同深度井筒開挖支護后井壁結構的安全系數并進行井壁結構優化設計，確定井深1 000 m以下井壁結構優化后采用600 mm厚鋼纖維混凝土支護結構。

（2）考慮豎井施工中的圍巖釋放因素，優化豎井施工順序，優化后施工順序改為2次開挖1次支護，安全系數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。