深豎井圍巖變形破壞規(guī)律及控制技術

李華華 汪小東

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410019）

近年來，淺部礦產(chǎn)資源消耗殆盡，礦山逐漸步入深井、超深井開采階段，井巷所賦存的地質(zhì)力學環(huán)境逐漸復雜，“三高一擾動”問題逐漸突出，深部圍巖特性相對于淺部也有很大差異，井巷支護難度加大，對深埋工程的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成了巨大威脅，深井開采問題已成為我國深部礦產(chǎn)資源開采面臨的重大關鍵科學技術問題。因此，開展深豎井圍巖變形破壞規(guī)律及控制技術研究對于深部工程建設及開采的地壓控制具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者針對深井圍巖變形破壞規(guī)律及其控制相關問題開展了大量研究，取得了豐碩成果。馮夏庭等［1］針對高應力下地下工程變形破壞的特點，提出了高應力地區(qū)地下工程安全性評價新方法以及動態(tài)反饋智能分析與優(yōu)化設計方法，并成功應用于工程優(yōu)化中；何滿朝等［2］分析了深部開采巖體工程力學特性，指出傳統(tǒng)理論、方法與技術已經(jīng)部分失效；潘鵬志等［3］針對深埋硬巖在多軸應力條件下的破壞特征，提出了能夠反映深埋硬巖脆延轉(zhuǎn)換行為影響的巖體局部劣化模型；黃興等［4］針對深井高地應力軟巖巷道，提出了新的支護方案，并取得了良好的應用效果；此外，張鏡劍等［5］、錢鳴高等［6］、康紅普等［7］、劉寧等［8］、方新秋等［9］、高延法等［10］、劉國鋒等［11］也分別在深井圍巖變形破壞規(guī)律及其控制方面進行了相關研究，取得了一定的進展。在卸壓圍巖控制技術方面，何滿潮等［12］提出了切頂卸壓沿空留巷新技術，在哈拉溝煤礦得到了成功應用；宋希賢等［13］探討了卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護技術，揭示了聯(lián)合支護的作用機理；余偉健等［14］針對金川三礦區(qū)破碎硐室，通過綜合評定和分析，提出了讓壓支護方案，應用效果較好；胡雄玉等［15］針對臺格廟礦區(qū)斜井，提出了一種高地應力深部斜井的管片襯砌配合碎石可壓縮層的讓壓支護技術；此外，何滿潮等［16］、朱安龍等［17］、賈寶山等［18］、劉紅崗等［19］、陳峰等［20］也開展了相關研究?？傮w上，在深豎井圍巖卸壓控制技術方面的研究主要集中在煤巷中，豎井工程的相關研究較為薄弱。

本研究以某礦山深豎井建設工程實際情況為工程背景，結(jié)合相關理論，運用數(shù)值分析、現(xiàn)場試驗和監(jiān)測等方法，開展了深豎井圍巖變形破壞規(guī)律及控制技術研究，針對深豎井圍巖變形，提出了切實可行的控制措施，可為類似礦山工程的研究和實踐提供參考。

1 工程概況

根據(jù)某礦區(qū)地質(zhì)資料，本研究豎井工程沿軸線依次穿越第四系碎石土；寒武系下統(tǒng)杷榔組粉砂質(zhì)黏土巖、頁巖，變馬沖組粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖、頁巖，九門沖組灰?guī)r、碳質(zhì)頁巖；震旦系上統(tǒng)留茶坡組硅質(zhì)巖，下統(tǒng)陡山坨組白云巖、頁巖；南華系上統(tǒng)南坨組含礫砂巖、含礫黏土巖，南華系下統(tǒng)大塘坡組二三段粉砂質(zhì)黏土巖、碳質(zhì)頁巖。

根據(jù)巖層地質(zhì)特征，主要劃分為4個工程地質(zhì)巖組：①層狀結(jié)構(gòu)堅硬—半堅硬硅質(zhì)巖巖組，巖性主要為微風化硅質(zhì)巖偶夾碳質(zhì)頁巖，節(jié)理裂隙、斷裂較發(fā)育，巖性堅脆，整體強度較高，穩(wěn)定性較好；②半堅硬巖組，巖性主要為粉砂巖、細晶灰?guī)r、細晶白云巖、含礫砂巖，Ⅲ級、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面發(fā)育，整體穩(wěn)定性一般—較好；③層狀結(jié)構(gòu)較軟頁巖巖組，巖性主要為粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、含碳質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖、黏土巖、頁巖，層間結(jié)合較差，易風化，巖體工程穩(wěn)定性較差；④軟弱巖組，主要巖性為第四系碎石土及含礫黏土巖，整體穩(wěn)定性差。各礦巖組物理力學參數(shù)如表1所示。

2 高應力豎井圍巖變形破壞規(guī)律

豎井工程的實施打破了原巖應力平衡狀態(tài)，豎井圍巖在應力重分布過程中發(fā)生變形響應，甚至破壞，直至應力分布達到新的平衡狀態(tài)。本研究運用數(shù)值分析方法，對不同地應力條件下的豎井圍巖應力應變分布及破壞特征進行分析。

2.1 分析方案及模型

根據(jù)工程實際情況，可將豎井圍巖應力分布視為平面應變問題，其受力模型如圖1所示。

根據(jù)礦區(qū)地應力實測結(jié)果，礦區(qū)的地應力以水平構(gòu)造應力為主，最大、最小主應力方向近水平，中間主應力方向近垂直，預估豎井圍巖最大主應力值約50 MPa。根據(jù)地應力測試結(jié)果，在一定程度上擴大取值范圍，開展不同地應力條件下圍巖變形破壞規(guī)律數(shù)值分析，共設置6個不同的應力方案，最大主應力σY為20～70 MPa，最小主應力σX為20 MPa，如表2所示。

依據(jù)礦山地質(zhì)、工程等基礎資料，選取分析范圍，建立平面計算模型。模型以豎井為中心，向四周擴展至開挖直徑的5倍以上，最終模型尺寸為X方向和Y方向長度均為100 m，如圖2所示，共分為10 600個單元、21 202個節(jié)點。采用平面應變模型，X方向和Y方向根據(jù)應力方案施加應力邊界，如圖1所示。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)分析方案，分別對豎井圍巖施加不同的主應力值（20～70 MPa），分析不同地應力條件下豎井圍巖應力應變及破壞情況。

2.2.1 位移和應力分析

不同原巖應力條件下，豎井圍巖最大主應力和位移極值的變化情況如圖3所示。不同原巖應力條件下井巷圍巖最大主應力分布云圖如圖4所示。

由圖3和圖4可知：豎井圍巖中最大主應力的極值主要分布在X軸方向上，即橫軸線上。在原巖最小主應力（20 MPa）一定的條件下，隨著原巖最大主應力（20～70 MPa）的增加，豎井圍巖中最大主應力極值逐漸增加，增加幅度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；隨著地應力增加，豎井圍巖應力逐漸增加，達到圍巖強度極限時發(fā)生破壞，應力重分布，達到新的破壞極限平衡狀態(tài)。豎井圍巖位移極值逐漸增加，增加幅度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

不同原巖應力條件下豎井橫軸和縱軸方向圍巖徑向和環(huán)向應力分布如圖5所示。由圖5可知：隨著原巖應力的增加，豎井縱軸方向（最大主應力方向）環(huán)向應力逐漸降低，豎井周邊應力集中顯現(xiàn)逐漸隱退，徑向應力逐漸增加，且增加幅度逐漸減??；橫軸方向（最小主應力方向）環(huán)向應力逐漸增加，且豎井周邊應力集中逐漸突顯，并逐漸向深部轉(zhuǎn)移，徑向應力逐漸增大，隨后趨向于最小主應力值。

2.2.2 塑性區(qū)分析

不同原巖應力條件下豎井圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖6所示。由圖6可知：在原巖最小主應力（20 MPa）一定的條件下，隨著原巖最大主應力（20～70 MPa）的增加，豎井圍巖中塑性區(qū)范圍逐漸擴大，首先向最小主應力方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)為“X”形塑性區(qū)。

3 高應力圍巖鉆孔卸壓技術研究

卸壓技術是面臨沖擊威脅礦井廣泛采用的一種有效解危措施，目前常用的卸壓措施有鉆孔卸壓、開槽卸壓以及爆破卸壓等。根據(jù)地應力測試結(jié)果及巖爆區(qū)域預測，結(jié)合豎井施工工作面限制及施工安全，本研究采用鉆孔卸壓作為深部豎井井壁高應力圍巖的主動卸壓措施。

3.1 分析方案及模型

鉆孔卸壓效果的主要影響參數(shù)為鉆孔深度、孔徑、鉆孔間排距及鉆孔布置形式等。根據(jù)工程實際情況，共設置了7個不同的鉆孔方案（鉆孔直徑200 mm，深度8 m），如表3所示。

依據(jù)礦山地質(zhì)、工程等基礎資料，經(jīng)過一定程度的簡化，建立了如圖7所示數(shù)值模型。模型以豎井為中心，向四周擴展至開挖直徑的5倍以上，豎直方向由地表至卸壓影響范圍外，最終模型尺寸為X方向和Y方向長度均為100 m，共分為165 000個單元、381 606個節(jié)點。數(shù)值模型南北向為最大主應力方向，東西向為最小主應力方向，采用軸對稱模型，最大水平主應力50 MPa，最小水平主應力16.5 MPa，中間主應力22 MPa。邊界條件如下：模型X方向、Y方向和垂直方向施加應力邊界條件，應力值分別為最小主應力、最大主應力和中間主應力，模型底部單元進行位移和速度固定。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 塑性區(qū)分析

1/4模型的不同鉆孔和支護條件下豎井圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。對比7個不同鉆孔方案的塑性區(qū)可知，井筒襯砌情況下塑性區(qū)對比無支護時明顯減小，在井筒襯砌情況下，圍巖鉆孔周圍形成了新的塑性區(qū)。

3.2.2 井壁位移分析

不同鉆孔和支護條件下的井壁位移分布如圖9所示。

井壁位置角度指正東西方向處的井壁角度為0°，正南北方向的井壁角度為90°。通過分析1/4井壁圓環(huán)的徑向位移和環(huán)向位移可知，在最大水平主應力方向，井壁的徑向位移最大，南北方向鉆孔方案（方案2）對于控制井壁徑向位移的效果最為明顯，東西方向的鉆孔（方案3、5、6）反而增加了井壁的徑向收斂（相對于無鉆孔方案7）。對比圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，井壁45°方位為剪切塑性區(qū)，南北多鉆孔方案（方案4）在此范圍內(nèi)施工鉆孔對于控制井壁收斂有負作用。

卸壓鉆孔對最大水平主應力方位（90°方位）井壁的徑向位移和剪切塑性區(qū)方位（45°方位）井壁的環(huán)向位移影響最大。為有效控制井壁及圍巖收斂，應在剪切塑性區(qū)范圍外的最大水平主應力方向上施工圍巖卸壓鉆孔。

3.2.3 應力分析

不同鉆孔和支護條件下豎井圍巖應力分布如圖10所示。由圖10可知：井壁0°方向施工卸壓鉆孔后圍巖最大主應力峰值深度由1.74 m（方案7）向圍巖深部轉(zhuǎn)移到2.30 m（方案3），最大主應力峰值由應力集中系數(shù)1.26（方案7）增加到最大值1.63（方案3）。說明施工卸壓孔使井壁圍巖集中應力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，該處巖體處于三向應力狀態(tài)，在應力增高區(qū)內(nèi)形成了一圈“自承載結(jié)構(gòu)”，從而充分發(fā)揮了圍巖的自承能力。

4 現(xiàn)場應用

井壁圍巖的地應力以水平構(gòu)造應力為主導且屬于中等—較高地壓范圍，本研究對深部高應力圍巖采用了柔性初支+現(xiàn)澆混凝土井壁支護，并在最大主應力方向施工了卸壓鉆孔。為確保豎井工程安全，采用信息化監(jiān)測技術對井壁受力及變形進行了實時監(jiān)測，為井壁安全性評估、井壁設計優(yōu)化等提供可靠信息。通過井壁內(nèi)埋設的傳感器實行井壁永久監(jiān)測，在井筒深部設置了多個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面的監(jiān)測內(nèi)容包括井壁圍巖多點位移、井壁混凝土軸向/徑向/環(huán)向應變、圍巖/初支與井壁間的壓力和地溫。監(jiān)測斷面布置見圖11。豎井監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取及傳輸流程是，井壁內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過井筒內(nèi)有線傳輸至中段馬頭門或硐室內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀，再經(jīng)過無線發(fā)射傳輸至井口接收模塊。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知：1#、3#監(jiān)測點的應力、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)大于2#、4#監(jiān)測點數(shù)據(jù)，與主應力方位相吻合；井壁環(huán)向應變、徑向應變、縱向應變監(jiān)測值均小于混凝土的極限應變，井壁位移總量小于2 mm，位移速率遠小于預警閾值，井壁處于健康狀態(tài)，并存有一定的安全余量。因此，本研究采用的柔性初支+現(xiàn)澆混凝土井壁支護配合鉆孔卸壓技術應用效果良好，在一定程度上解決了高應力豎井圍巖控制難題，對深部高應力豎井圍巖控制具有借鑒意義。

5 結(jié) 論

運用FLAC3D數(shù)值分析軟件，開展了不同地應力條件下豎井圍巖變形破壞規(guī)律及不同卸壓孔布置條件下高應力圍巖鉆孔卸壓技術研究，并應用于深豎井工程中，主要得到如下結(jié)論：

（1）隨著原巖水平主應力差增加，豎井圍巖中塑性區(qū)范圍逐漸擴大，首先向最小主應力方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)為“X”形塑性區(qū)。

（2）針對高地應力深井圍巖，在剪切塑性區(qū)范圍外的最大水平主應力方向施工卸壓鉆孔，能將圍巖應力峰值向深部轉(zhuǎn)移，降低井壁及圍巖的收斂位移。

（3）經(jīng)過工程實踐，柔性初支+現(xiàn)澆混凝土井壁支護配合鉆孔卸壓技術效果較好，是深部高應力豎井圍巖控制行之有效的技術方案。