超深豎井深部井壁支護方式優化研究*

馬維清,何磊

(中國華冶科工集團有限公司， 北京 101760)

我國金屬礦山豎井施工井壁支護一般采用素混凝土澆筑。但隨著井筒深度的增加，地應力也隨之增高，需通過提高支護的強度來保障井壁安全。思山嶺鐵礦副井工程原設計深度1503.9 m，設計井筒1095 m以下井壁采用雙層鋼筋混凝土支護方式，相對井筒上段支護時增加了鋼筋綁扎工序，支護用時增加了50%以上，嚴重降低鑿井效率。根據近年來鋼纖維混凝土在井下巷道施工中的成功應用，開展基于鋼纖維混凝土支護替代雙層鋼筋混凝土支護的研究極為重要，對保障思山嶺鐵礦副井工程安全高效施工具有重要意義，也為超深豎井施工井壁支護的設計提供依據。

1 支護優化方案設計

1.1 鋼纖維混凝土機理

當在混凝土基體中摻入一定數量的鋼纖維時，由于鋼纖維的阻裂效應，跨越原始微裂縫和靠近裂縫尖端的鋼纖維將應力傳遞給裂縫的兩側，使混凝土內部各相之間具有足夠大的吸附力并趨于一個整體；鋼纖維在混凝土內部能很好地傳遞、消耗因各種原因對混凝土的約束而在混凝土中所產生的拉應力。隨著鋼纖維體積率的增大，裂縫尖端應力集中的程度能得到緩和。鋼纖維混凝土的抗裂機理、增強機理是提高鋼纖維對混凝土的增強、增韌和阻裂效應，從本質上改善其物理、力學、化學性能。但對于鋼釬維混凝土而言，鋼釬維不能提高混凝土的單軸抗壓強度，僅僅是改善了素混凝土的破壞方式，增加了混凝土的抗裂韌性，使其破裂后的性能得到改善，裂而不碎[1-3]。

1.2 支護優化方案

鑒于鋼纖維混凝土在礦山巷道掘進的應用[4-6]，對鋼纖維混凝土應用于思山嶺鐵礦副井-880 m 以下井筒段進行研究，并作為雙層鋼筋混凝土襯砌方式的優化方案。設計方案為：一次支護采用錨網支護；二次井壁襯砌采用C40鋼纖維混凝土，襯砌厚度為600 mm，鋼纖維的幾何參數包括：長度25～50 mm，等效直徑為0.3～0.8 mm，長徑比為40～100，抗拉強度大于900 MPa，異型，鋼纖維摻入量為 60 kg/m3。

錨網支護應用樹脂錨固劑錨固，錨桿長度 2.9 m，直徑 Φ22 mm；采用快速和中速樹脂錨固劑，規格Φ28 mm×700 mm；托盤規格尺寸為120 mm×120 mm×8 mm（長×寬×厚），托板中間的錨桿孔直徑為Φ24 mm；錨桿孔直徑為Φ32 mm，錨桿的間、排距為2 m×2 m；鋼筋網采用菱形金屬網，網的規格為 3.2 m×1.2 m（長×寬），網度為 50 mm×50 mm；鋼筋梁為兩條Φ10 mm的平行圓鋼圈，其間距為80 mm，長度為3200 mm，采用點焊制作。錨桿眼角度垂直于井筒圍巖巖面，其傾斜角度不低于 80°。采用風動錨桿安裝機安裝錨桿，采用風動扳手緊固螺母。錨網支護布置如圖1所示。

圖1 錨網支護布置示意

2 數值模擬分析

2.1 建立模型

選取井筒最底部 60 m 作為研究對象，應用FLAC3D有限元分析軟件建模，X、Y方向距離各取8倍的井筒半徑，即40 m為模型邊界，數值模型的高度為60 m，整體模型共劃分個63660個塊體，73673個節點。

由地應力回歸方程計算出構造應力值以及最大水平主應力的方向，對本次數值計算施加邊界條件。考慮到井筒平面是軸對稱的，所以可以假定最大水平主應力施加在X軸方向，最小水平主應力施加在Y軸方向，而實際情況是最大水平主應力為NEE向，大約為67.83°，所以將模擬結果調整22.17°就可得到實際結果，如圖2所示。

圖2 豎井支護模型網格劃分

2.2 井筒支護結構數值計算邊界條件

模型Z方向上表面采用應力邊界條件，應力值為σz=25.1 MPa。

X方向上施加最大水平主應力邊界條件σH=0.039H+1.264，Y方向上施加最小水平主應力邊界條件σh=0.028H+1.246。Z方向下表面采用X、Y、Z方向的位移約束。

2.3 數值計算結果分析

2.3.1 井筒襯砌結構位移分析

計算破壞準則采用摩爾庫侖模型，當初始模型達到新的應力平衡后，對井筒混凝土襯砌結構模型進行開挖計算，進而得到井壁襯砌結構的位移結果，見圖3～圖5。

圖3 井筒襯砌支護結構X方向位移云圖

圖4 井筒襯砌支護結構Y方向位移云圖

圖5 井筒鋼纖維混凝土襯砌位移分布云圖

從圖3～圖5可以看出，采用鋼纖維混凝土襯砌后，靠近井筒斷面的徑向位移較大，遠離井筒支護斷面的徑向位移較小，井筒采取邊開挖邊支護的方式，支護后位移為0.5 mm，說明井壁結構是合理的。井筒支護結構位移云圖值有正有負，說明該井壁鋼纖維混凝土襯砌結構在最大（小）水平地應力作用下，井壁支護結構的部分區域受到了拉應力作用，該區段位移值較小，不影響井壁混凝土襯砌結構的穩定性。

2.3.2 井筒圍巖應力分析

從應力分布結果（圖6～圖7）可以看出，當井壁采用鋼纖維混凝土襯砌后，靠近井壁襯砌結構邊緣的徑向應力比較大，遠離井壁襯砌結構位置其徑向應力逐漸減小，直至達到原巖應力水平；由于井筒采取邊開挖邊支護的襯砌結構方式，井筒支護后的徑向應力為0.5 MPa。盡管在數值計算結果中，井壁局部區域出現拉應力集中區，但其拉應力值遠小于C40混凝土的單軸抗拉強度值，所以，目前在井深1000 m以下采用600 mm厚鋼纖維混凝土支護的井壁穩定性較好，而且可適當減小井壁的厚度，增強混凝土襯砌結構的單軸抗壓強度等級。

圖6 井筒襯砌結構X方向應力分布

圖7 井筒襯砌結構Y方向應力分布

3 井下應用與現場監測

將井壁支護結構優化方案應用于-880 m水平，井壁一次支護采用錨網支護，二次支護采用鋼纖維混凝土，形成錨網-高強井壁襯砌結構聯合的井壁支護體系。-880 m水平井筒圍巖的位移監測結果見圖8～圖9。

圖8 -880 m最小主應力方向多點位移計監測結果

圖9 -880 m最大主應力方向多點位移計監測結果

距井壁1 m處最大主應力方向上圍巖徑向位移小于最小主應力方向的位移，這與井壁附近圍巖存在塑性變形有關，說明井筒圍巖在發生塑性變形條件下最小主應力方向的位移會大于最大主應力方向的位移，這與理論計算結果是一致的。距井壁 2 m、4 m處最大主應力方向上圍巖徑向位移大于最小主應力方向的位移，距井壁同一深度位移變化的大小主要由應力的大小決定，說明距井壁2 m處的圍巖變形屬于彈性變形，支護后未發生塑性破壞。

從圖8和圖9可以看出，當井筒開挖并支護后，其井筒圍巖徑向位移變形規律為：井筒支護后第2～4天，位移有較大變化，之后位移值趨于穩定，2 d后位移繼續增大，變化速率較之前有所放緩，此后即為趨向穩定階段，在此階段圍巖變形基本保持穩定。在初始監測的 10 d內其位移增大較為明顯，變形量占總變形量的80%～90%，井筒圍巖的穩定時間為10 d左右。從圍巖位移變化上看，豎井襯砌后1個月內圍巖最大位移值約為1～2 mm，并保持穩定，說明支護結構合理，能夠保證井筒圍巖穩定。

4 結論

通過對思山嶺鐵礦副井深部井筒支護方式進行數值模擬研究與應用實踐，得出以下結論。

（1）數值模擬結果表明，采用鋼纖維混凝土襯砌，靠近井筒斷面的徑向位移較大，遠離井筒支護斷面的徑向位移較小，井筒采取邊開挖邊支護的方式，支護后位移為0.5 mm；在靠近井壁襯砌結構邊緣的徑向應力比較大，在遠離井壁襯砌結構位置其徑向應力逐漸減小，直至達到原巖應力水平。在井壁局部區域出現拉應力集中區，但其拉應力值遠小于C40混凝土的單軸抗拉強度值，說明井壁結構合理。

（2）在井筒1095 m深度井壁采用錨網一次支護，二次支護采用鋼纖維混凝土的支護結構，豎井襯砌后1個月內圍巖最大位移值約為1～2 mm，并保持穩定，支護結構合理，能夠保證井筒圍巖穩定。