李華華 汪小東

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)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(xué)環(huán)境逐漸復(fù)雜，“三高一擾動(dòng)”問題逐漸突出，深部圍巖特性相對(duì)于淺部也有很大差異，井巷支護(hù)難度加大，對(duì)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(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。因此，開展深豎井圍巖變形破壞規(guī)律及控制技術(shù)研究對(duì)于深部工程建設(shè)及開采的地壓控制具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)深井圍巖變形破壞規(guī)律及其控制相關(guān)問題開展了大量研究，取得了豐碩成果。馮夏庭等［1］針對(duì)高應(yīng)力下地下工程變形破壞的特點(diǎn)，提出了高應(yīng)力地區(qū)地下工程安全性評(píng)價(jià)新方法以及動(dòng)態(tài)反饋智能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并成功應(yīng)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(xué)特性，指出傳統(tǒng)理論、方法與技術(shù)已經(jīng)部分失效；潘鵬志等［3］針對(duì)深埋硬巖在多軸應(yīng)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(duì)深井高地應(yīng)力軟巖巷道，提出了新的支護(hù)方案，并取得了良好的應(yīng)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(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的進(jìn)展。在卸壓圍巖控制技術(shù)方面，何滿潮等［12］提出了切頂卸壓沿空留巷新技術(shù)，在哈拉溝煤礦得到了成功應(yīng)用；宋希賢等［13］探討了卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，揭示了聯(lián)合支護(hù)的作用機(jī)理；余偉健等［14］針對(duì)金川三礦區(qū)破碎硐室，通過綜合評(píng)定和分析，提出了讓壓支護(hù)方案，應(yīng)用效果較好；胡雄玉等［15］針對(duì)臺(tái)格廟礦區(qū)斜井，提出了一種高地應(yīng)力深部斜井的管片襯砌配合碎石可壓縮層的讓壓支護(hù)技術(shù)；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(guān)研究?？傮w上，在深豎井圍巖卸壓控制技術(shù)方面的研究主要集中在煤巷中，豎井工程的相關(guān)研究較為薄弱。

本研究以某礦山深豎井建設(shè)工程實(shí)際情況為工程背景，結(jié)合相關(guān)理論，運(yùn)用數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)等方法，開展了深豎井圍巖變形破壞規(guī)律及控制技術(shù)研究，針對(duì)深豎井圍巖變形，提出了切實(shí)可行的控制措施，可為類似礦山工程的研究和實(shí)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?jiǎng)澐譃?個(gè)工程地質(zhì)巖組：①層狀結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬—半堅(jiān)硬硅質(zhì)巖巖組，巖性主要為微風(fēng)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(jiān)脆，整體強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好；②半堅(jiān)硬巖組，巖性主要為粉砂巖、細(xì)晶灰?guī)r、細(xì)晶白云巖、含礫砂巖，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)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(fēng)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(xué)參數(shù)如表1所示。

2 高應(yīng)力豎井圍巖變形破壞規(guī)律

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

2.1 分析方案及模型

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

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

依據(jù)礦山地質(zhì)、工程等基礎(chǔ)資料，選取分析范圍，建立平面計(jì)算模型。模型以豎井為中心，向四周擴(kuò)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(zhǎng)度均為100 m，如圖2所示，共分為10 600個(gè)單元、21 202個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用平面應(yīng)變模型，X方向和Y方向根據(jù)應(yīng)力方案施加應(yīng)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(duì)豎井圍巖施加不同的主應(yīng)力值（20～70 MPa），分析不同地應(yīng)力條件下豎井圍巖應(yīng)力應(yīng)變及破壞情況。

2.2.1 位移和應(yīng)力分析

不同原巖應(yīng)力條件下，豎井圍巖最大主應(yīng)力和位移極值的變化情況如圖3所示。不同原巖應(yīng)力條件下井巷圍巖最大主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力（20 MPa）一定的條件下，隨著原巖最大主應(yīng)力（20～70 MPa）的增加，豎井圍巖中最大主應(yīng)力極值逐漸增加，增加幅度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；隨著地應(yīng)力增加，豎井圍巖應(yīng)力逐漸增加，達(dá)到圍巖強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生破壞，應(yīng)力重分布，達(dá)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(shì)。

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

2.2.2 塑性區(qū)分析

不同原巖應(yīng)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(yīng)力（20 MPa）一定的條件下，隨著原巖最大主應(yīng)力（20～70 MPa）的增加，豎井圍巖中塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，首先向最小主應(yīng)力方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)為“X”形塑性區(qū)。

3 高應(yīng)力圍巖鉆孔卸壓技術(shù)研究

卸壓技術(shù)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(yīng)力測(cè)試結(jié)果及巖爆區(qū)域預(yù)測(cè)，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(yīng)力圍巖的主動(dòng)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(shí)際情況，共設(shè)置了7個(gè)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(chǔ)資料，經(jīng)過一定程度的簡(jiǎn)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(kuò)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(zhǎng)度均為100 m，共分為165 000個(gè)單元、381 606個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模型南北向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，東西向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向，采用軸對(duì)稱模型，最大水平主應(yīng)力50 MPa，最小水平主應(yīng)力16.5 MPa，中間主應(yīng)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(yīng)力邊界條件，應(yīng)力值分別為最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力，模型底部單元進(jìn)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(hù)條件下豎井圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。對(duì)比7個(gè)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(duì)比無支護(hù)時(shí)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(hù)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(yīng)力方向，井壁的徑向位移最大，南北方向鉆孔方案（方案2）對(duì)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(duì)于無鉆孔方案7）。對(duì)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(duì)于控制井壁收斂有負(fù)作用。

卸壓鉆孔對(duì)最大水平主應(yīng)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(yīng)在剪切塑性區(qū)范圍外的最大水平主應(yīng)力方向上施工圍巖卸壓鉆孔。

3.2.3 應(yīng)力分析

不同鉆孔和支護(hù)條件下豎井圍巖應(yīng)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(yīng)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(yīng)力峰值由應(yīng)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(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，該處巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)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(chǎng)應(yīng)用

井壁圍巖的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)且屬于中等—較高地壓范圍，本研究對(duì)深部高應(yīng)力圍巖采用了柔性初支+現(xiàn)澆混凝土井壁支護(hù)，并在最大主應(yīng)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(cè)技術(shù)對(duì)井壁受力及變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為井壁安全性評(píng)估、井壁設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供可靠信息。通過井壁內(nèi)埋設(shè)的傳感器實(shí)行井壁永久監(jiān)測(cè)，在井筒深部設(shè)置了多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括井壁圍巖多點(diǎn)位移、井壁混凝土軸向/徑向/環(huán)向應(yīng)變、圍巖/初支與井壁間的壓力和地溫。監(jiān)測(cè)斷面布置見圖11。豎井監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果可知：1#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于2#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，與主應(yīng)力方位相吻合；井壁環(huán)向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、縱向應(yīng)變監(jiān)測(cè)值均小于混凝土的極限應(yīng)變，井壁位移總量小于2 mm，位移速率遠(yuǎn)小于預(yù)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(hù)配合鉆孔卸壓技術(shù)應(yīng)用效果良好，在一定程度上解決了高應(yīng)力豎井圍巖控制難題，對(duì)深部高應(yīng)力豎井圍巖控制具有借鑒意義。

5 結(jié) 論

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析軟件，開展了不同地應(yīng)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(yīng)力圍巖鉆孔卸壓技術(shù)研究，并應(yīng)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(yīng)力差增加，豎井圍巖中塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，首先向最小主應(yīng)力方向發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)為“X”形塑性區(qū)。

（2）針對(duì)高地應(yīng)力深井圍巖，在剪切塑性區(qū)范圍外的最大水平主應(yīng)力方向施工卸壓鉆孔，能將圍巖應(yīng)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(shí)踐，柔性初支+現(xiàn)澆混凝土井壁支護(hù)配合鉆孔卸壓技術(shù)效果較好，是深部高應(yīng)力豎井圍巖控制行之有效的技術(shù)方案。