程 力 王劍波 趙 杰 王 璽 李桂林
(山東黃金礦業(yè)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(yè)的迅猛發(fā)展,礦山淺部資源日益減少,許多礦山都向深部發(fā)展[1]。由于深部巖體處于復(fù)雜、高應(yīng)力的工程地質(zhì)環(huán)境,使深部巖體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)相互作用問題亟待解決。國內(nèi)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(shè)計中,部分學者對井壁厚度設(shè)計方法及支護系統(tǒng)穩(wěn)定性進行研究并取得相關(guān)成果[7-9],為此,本研究以思山嶺豎井為例,從深部高應(yīng)力下井壁圍巖控制與支護優(yōu)化來進行研究,為該豎井施工提供科學指導(dǎo)。
思山嶺鐵礦SJ1(副井)工程井筒設(shè)計凈直徑10 m,設(shè)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(nèi)發(fā)生的井壁破裂基本上表現(xiàn)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(yīng)力、最小主應(yīng)力;f為內(nèi)摩擦因數(shù),
σc為混凝土軸心抗壓強度,此處取C40混凝土設(shè)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(shè)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(shù)λ為
井壁上的最小主應(yīng)力值約為0,將上述相關(guān)參數(shù)代入式(1)中,可得H=1 000、1 200、1 400 m處的數(shù)據(jù)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(jù)監(jiān)測結(jié)果應(yīng)力釋放系數(shù)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(shù)分別為1.26、1.36、1.04。井壁結(jié)構(gòu)在H=1 000 m、H=1 200 m處是相對穩(wěn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
對于思山嶺豎井1 000 m以上的井壁結(jié)構(gòu),經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu)優(yōu)化主要針對井筒深度1 000~1 500 m區(qū)段。井壁結(jié)構(gòu)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(yīng)力場下不利于井筒圍巖的穩(wěn)定,且增大井壁厚度并不能明顯改變圍巖塑性區(qū)半徑,所以優(yōu)化井壁材料方案較為科學。
現(xiàn)采用C50、C60、C70高強度混凝土和C40鋼纖維混凝土的井壁結(jié)構(gòu)進行對比分析,經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn),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(shù)見表1[11]。
混凝土井壁結(jié)構(gòu)由FLAC3D中添加殼單元實現(xiàn),不同井壁結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(gòu)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(yīng)力邊界條件,Y方向上施加最小水平主應(yīng)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(yīng)力云圖,見圖1。
根據(jù)數(shù)值分析結(jié)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(shè)不考慮圍巖開挖應(yīng)力釋放,C50、C60、C70、C40鋼纖維混凝土井壁結(jié)構(gòu)上的最大主應(yīng)力分別為47、49.4、50.5、48.2 MPa。根據(jù)豎井監(jiān)測結(jié)果,當應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6時,作用在井壁結(jié)構(gòu)上的最大主應(yīng)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(shù) λ分別為1.22、1.4、1.57、1.53。優(yōu)化后的井壁結(jié)構(gòu)均能保持穩(wěn)定,使用C70高強混凝土的穩(wěn)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(yōu)化后的井壁結(jié)構(gòu)使用C40鋼纖維混凝土井壁結(jié)構(gòu)。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(yōu)化后的支護結(jié)構(gòu)圍巖位移較之前減少1.8 mm,支護圍巖總位移在10 mm以內(nèi),位移較小,支護后圍巖能夠保持穩(wěn)定。思山嶺豎井1 500 m井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后見表2。
豎井開挖后支護時間的選擇對支護結(jié)構(gòu)的受力有很大影響,支護時間過早,可使圍巖塑性區(qū)變小,但支護結(jié)構(gòu)承受較大的支護力。支護時間過晚,圍巖可能會發(fā)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(diào)動圍巖的承載能力,同時對支護結(jié)構(gòu)的壓力降為最?。?2-13]。
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(jié)構(gòu)上承受的力更小,提高井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,優(yōu)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(jié)構(gòu)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(shù)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。
(1)利用統(tǒng)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(shù)值模擬,確定不同深度井筒開挖支護后井壁結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)并進行井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,確定井深1 000 m以下井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后采用600 mm厚鋼纖維混凝土支護結(jié)構(gòu)。
(2)考慮豎井施工中的圍巖釋放因素,優(yōu)化豎井施工順序,優(yōu)化后施工順序改為2次開挖1次支護,安全系數(shù)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。