超深豎井深部井壁支護(hù)方式優(yōu)化研究*

馬維清,何磊

(中國華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 101760)

我國金屬礦山豎井施工井壁支護(hù)一般采用素混凝土澆筑。但隨著井筒深度的增加，地應(yīng)力也隨之增高，需通過提高支護(hù)的強(qiáng)度來保障井壁安全。思山嶺鐵礦副井工程原設(shè)計(jì)深度1503.9 m，設(shè)計(jì)井筒1095 m以下井壁采用雙層鋼筋混凝土支護(hù)方式，相對井筒上段支護(hù)時(shí)增加了鋼筋綁扎工序，支護(hù)用時(shí)增加了50%以上，嚴(yán)重降低鑿井效率。根據(jù)近年來鋼纖維混凝土在井下巷道施工中的成功應(yīng)用，開展基于鋼纖維混凝土支護(hù)替代雙層鋼筋混凝土支護(hù)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(hù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

1.1 鋼纖維混凝土機(jī)理

當(dāng)在混凝土基體中摻入一定數(shù)量的鋼纖維時(shí)，由于鋼纖維的阻裂效應(yīng)，跨越原始微裂縫和靠近裂縫尖端的鋼纖維將應(yīng)力傳遞給裂縫的兩側(cè)，使混凝土內(nèi)部各相之間具有足夠大的吸附力并趨于一個(gè)整體；鋼纖維在混凝土內(nèi)部能很好地傳遞、消耗因各種原因?qū)炷恋募s束而在混凝土中所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。隨著鋼纖維體積率的增大，裂縫尖端應(yīng)力集中的程度能得到緩和。鋼纖維混凝土的抗裂機(jī)理、增強(qiáng)機(jī)理是提高鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)，從本質(zhì)上改善其物理、力學(xué)、化學(xué)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(qiáng)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(hù)優(yōu)化方案

鑒于鋼纖維混凝土在礦山巷道掘進(jìn)的應(yīng)用[4-6]，對鋼纖維混凝土應(yīng)用于思山嶺鐵礦副井-880 m 以下井筒段進(jìn)行研究，并作為雙層鋼筋混凝土襯砌方式的優(yōu)化方案。設(shè)計(jì)方案為：一次支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)；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(shù)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(qiáng)度大于900 MPa，異型，鋼纖維摻入量為 60 kg/m3。

錨網(wǎng)支護(hù)應(yīng)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(guī)格Φ28 mm×700 mm；托盤規(guī)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(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)的規(guī)格為 3.2 m×1.2 m（長×寬），網(wǎng)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(diǎn)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(fēng)動(dòng)錨桿安裝機(jī)安裝錨桿，采用風(fēng)動(dòng)扳手緊固螺母。錨網(wǎng)支護(hù)布置如圖1所示。

圖1 錨網(wǎng)支護(hù)布置示意

2 數(shù)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(yīng)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(shù)值模型的高度為60 m，整體模型共劃分個(gè)63660個(gè)塊體，73673個(gè)節(jié)點(diǎn)。

由地應(yīng)力回歸方程計(jì)算出構(gòu)造應(yīng)力值以及最大水平主應(yīng)力的方向，對本次數(shù)值計(jì)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(yīng)力施加在X軸方向，最小水平主應(yīng)力施加在Y軸方向，而實(shí)際情況是最大水平主應(yīng)力為NEE向，大約為67.83°，所以將模擬結(jié)果調(diào)整22.17°就可得到實(shí)際結(jié)果，如圖2所示。

圖2 豎井支護(hù)模型網(wǎng)格劃分

2.2 井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算邊界條件

模型Z方向上表面采用應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力值為σz=25.1 MPa。

X方向上施加最大水平主應(yīng)力邊界條件σH=0.039H+1.264，Y方向上施加最小水平主應(yīng)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(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 井筒襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

計(jì)算破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫侖模型，當(dāng)初始模型達(dá)到新的應(yīng)力平衡后，對井筒混凝土襯砌結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行開挖計(jì)算，進(jìn)而得到井壁襯砌結(jié)構(gòu)的位移結(jié)果，見圖3～圖5。

圖3 井筒襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖

圖4 井筒襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離井筒支護(hù)斷面的徑向位移較小，井筒采取邊開挖邊支護(hù)的方式，支護(hù)后位移為0.5 mm，說明井壁結(jié)構(gòu)是合理的。井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖值有正有負(fù)，說明該井壁鋼纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在最大（?。┧降貞?yīng)力作用下，井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域受到了拉應(yīng)力作用，該區(qū)段位移值較小，不影響井壁混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3.2 井筒圍巖應(yīng)力分析

從應(yīng)力分布結(jié)果（圖6～圖7）可以看出，當(dāng)井壁采用鋼纖維混凝土襯砌后，靠近井壁襯砌結(jié)構(gòu)邊緣的徑向應(yīng)力比較大，遠(yuǎn)離井壁襯砌結(jié)構(gòu)位置其徑向應(yīng)力逐漸減小，直至達(dá)到原巖應(yīng)力水平；由于井筒采取邊開挖邊支護(hù)的襯砌結(jié)構(gòu)方式，井筒支護(hù)后的徑向應(yīng)力為0.5 MPa。盡管在數(shù)值計(jì)算結(jié)果中，井壁局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，但其拉應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C40混凝土的單軸抗拉強(qiáng)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(hù)的井壁穩(wěn)定性較好，而且可適當(dāng)減小井壁的厚度，增強(qiáng)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的單軸抗壓強(qiáng)度等級。

圖6 井筒襯砌結(jié)構(gòu)X方向應(yīng)力分布

圖7 井筒襯砌結(jié)構(gòu)Y方向應(yīng)力分布

3 井下應(yīng)用與現(xiàn)場監(jiān)測

將井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案應(yīng)用于-880 m水平，井壁一次支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)，二次支護(hù)采用鋼纖維混凝土，形成錨網(wǎng)-高強(qiáng)井壁襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合的井壁支護(hù)體系。-880 m水平井筒圍巖的位移監(jiān)測結(jié)果見圖8～圖9。

圖8 -880 m最小主應(yīng)力方向多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果

圖9 -880 m最大主應(yīng)力方向多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果

距井壁1 m處最大主應(yīng)力方向上圍巖徑向位移小于最小主應(yīng)力方向的位移，這與井壁附近圍巖存在塑性變形有關(guān)，說明井筒圍巖在發(fā)生塑性變形條件下最小主應(yīng)力方向的位移會大于最大主應(yīng)力方向的位移，這與理論計(jì)算結(jié)果是一致的。距井壁 2 m、4 m處最大主應(yīng)力方向上圍巖徑向位移大于最小主應(yīng)力方向的位移，距井壁同一深度位移變化的大小主要由應(yīng)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(hù)后未發(fā)生塑性破壞。

從圖8和圖9可以看出，當(dāng)井筒開挖并支護(hù)后，其井筒圍巖徑向位移變形規(guī)律為：井筒支護(hù)后第2～4天，位移有較大變化，之后位移值趨于穩(wěn)定，2 d后位移繼續(xù)增大，變化速率較之前有所放緩，此后即為趨向穩(wěn)定階段，在此階段圍巖變形基本保持穩(wěn)定。在初始監(jiān)測的 10 d內(nèi)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(wěn)定時(shí)間為10 d左右。從圍巖位移變化上看，豎井襯砌后1個(gè)月內(nèi)圍巖最大位移值約為1～2 mm，并保持穩(wěn)定，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，能夠保證井筒圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過對思山嶺鐵礦副井深部井筒支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究與應(yīng)用實(shí)踐，得出以下結(jié)論。

（1）數(shù)值模擬結(jié)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(yuǎn)離井筒支護(hù)斷面的徑向位移較小，井筒采取邊開挖邊支護(hù)的方式，支護(hù)后位移為0.5 mm；在靠近井壁襯砌結(jié)構(gòu)邊緣的徑向應(yīng)力比較大，在遠(yuǎn)離井壁襯砌結(jié)構(gòu)位置其徑向應(yīng)力逐漸減小，直至達(dá)到原巖應(yīng)力水平。在井壁局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，但其拉應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C40混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度值，說明井壁結(jié)構(gòu)合理。

（2）在井筒1095 m深度井壁采用錨網(wǎng)一次支護(hù)，二次支護(hù)采用鋼纖維混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)，豎井襯砌后1個(gè)月內(nèi)圍巖最大位移值約為1～2 mm，并保持穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，能夠保證井筒圍巖穩(wěn)定。