深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

2020-12-21李华华汪小东

金属矿山 2020年11期

李华华汪小东

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙410019）

近年来，浅部矿产资源消耗殆尽，矿山逐渐步入深井、超深井开采阶段，井巷所赋存的地质力学环境逐渐复杂，“三高一扰动”问题逐渐突出，深部围岩特性相对于浅部也有很大差异，井巷支护难度加大，对深埋工程的稳定性和安全性构成了巨大威胁，深井开采问题已成为我国深部矿产资源开采面临的重大关键科学技术问题。因此，开展深竖井围岩变形破坏规律及控制技术研究对于深部工程建设及开采的地压控制具有重要意义。

近年来，国内外学者针对深井围岩变形破坏规律及其控制相关问题开展了大量研究，取得了丰硕成果。冯夏庭等［1］针对高应力下地下工程变形破坏的特点，提出了高应力地区地下工程安全性评价新方法以及动态反馈智能分析与优化设计方法，并成功应用于工程优化中；何满朝等［2］分析了深部开采岩体工程力学特性，指出传统理论、方法与技术已经部分失效；潘鹏志等［3］针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征，提出了能够反映深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型；黄兴等［4］针对深井高地应力软岩巷道，提出了新的支护方案，并取得了良好的应用效果；此外，张镜剑等［5］、钱鸣高等［6］、康红普等［7］、刘宁等［8］、方新秋等［9］、高延法等［10］、刘国锋等［11］也分别在深井围岩变形破坏规律及其控制方面进行了相关研究，取得了一定的进展。在卸压围岩控制技术方面，何满潮等［12］提出了切顶卸压沿空留巷新技术，在哈拉沟煤矿得到了成功应用；宋希贤等［13］探讨了卸压孔与锚杆联合支护技术，揭示了联合支护的作用机理；余伟健等［14］针对金川三矿区破碎硐室，通过综合评定和分析，提出了让压支护方案，应用效果较好；胡雄玉等［15］针对台格庙矿区斜井，提出了一种高地应力深部斜井的管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护技术；此外，何满潮等［16］、朱安龙等［17］、贾宝山等［18］、刘红岗等［19］、陈峰等［20］也开展了相关研究。总体上，在深竖井围岩卸压控制技术方面的研究主要集中在煤巷中，竖井工程的相关研究较为薄弱。

本研究以某矿山深竖井建设工程实际情况为工程背景，结合相关理论，运用数值分析、现场试验和监测等方法，开展了深竖井围岩变形破坏规律及控制技术研究，针对深竖井围岩变形，提出了切实可行的控制措施，可为类似矿山工程的研究和实践提供参考。

1 工程概况

根据某矿区地质资料，本研究竖井工程沿轴线依次穿越第四系碎石土；寒武系下统杷榔组粉砂质黏土岩、页岩，变马冲组粉砂岩、粉砂质黏土岩、页岩，九门冲组灰岩、碳质页岩；震旦系上统留茶坡组硅质岩，下统陡山坨组白云岩、页岩；南华系上统南坨组含砾砂岩、含砾黏土岩，南华系下统大塘坡组二三段粉砂质黏土岩、碳质页岩。

根据岩层地质特征，主要划分为4个工程地质岩组：①层状结构坚硬—半坚硬硅质岩岩组，岩性主要为微风化硅质岩偶夹碳质页岩，节理裂隙、断裂较发育，岩性坚脆，整体强度较高，稳定性较好；②半坚硬岩组，岩性主要为粉砂岩、细晶灰岩、细晶白云岩、含砾砂岩，Ⅲ级、Ⅳ级结构面发育，整体稳定性一般—较好；③层状结构较软页岩岩组，岩性主要为粉砂质页岩、碳质页岩、含碳质粉砂质页岩、黏土岩、页岩，层间结合较差，易风化，岩体工程稳定性较差；④软弱岩组，主要岩性为第四系碎石土及含砾黏土岩，整体稳定性差。各矿岩组物理力学参数如表1所示。

2 高应力竖井围岩变形破坏规律

竖井工程的实施打破了原岩应力平衡状态，竖井围岩在应力重分布过程中发生变形响应，甚至破坏，直至应力分布达到新的平衡状态。本研究运用数值分析方法，对不同地应力条件下的竖井围岩应力应变分布及破坏特征进行分析。

2.1 分析方案及模型

根据工程实际情况，可将竖井围岩应力分布视为平面应变问题，其受力模型如图1所示。

根据矿区地应力实测结果，矿区的地应力以水平构造应力为主，最大、最小主应力方向近水平，中间主应力方向近垂直，预估竖井围岩最大主应力值约50 MPa。根据地应力测试结果，在一定程度上扩大取值范围，开展不同地应力条件下围岩变形破坏规律数值分析，共设置6个不同的应力方案，最大主应力σY为20～70 MPa，最小主应力σX为20 MPa，如表2所示。

依据矿山地质、工程等基础资料，选取分析范围，建立平面计算模型。模型以竖井为中心，向四周扩展至开挖直径的5倍以上，最终模型尺寸为X方向和Y方向长度均为100 m，如图2所示，共分为10 600个单元、21 202个节点。采用平面应变模型，X方向和Y方向根据应力方案施加应力边界，如图1所示。

2.2 结果分析

根据分析方案，分别对竖井围岩施加不同的主应力值（20～70 MPa），分析不同地应力条件下竖井围岩应力应变及破坏情况。

2.2.1 位移和应力分析

不同原岩应力条件下，竖井围岩最大主应力和位移极值的变化情况如图3所示。不同原岩应力条件下井巷围岩最大主应力分布云图如图4所示。

由图3和图4可知：竖井围岩中最大主应力的极值主要分布在X轴方向上，即横轴线上。在原岩最小主应力（20 MPa）一定的条件下，随着原岩最大主应力（20～70 MPa）的增加，竖井围岩中最大主应力极值逐渐增加，增加幅度呈现出逐渐减小的趋势；随着地应力增加，竖井围岩应力逐渐增加，达到围岩强度极限时发生破坏，应力重分布，达到新的破坏极限平衡状态。竖井围岩位移极值逐渐增加，增加幅度呈现出逐渐增大的趋势。

不同原岩应力条件下竖井横轴和纵轴方向围岩径向和环向应力分布如图5所示。由图5可知：随着原岩应力的增加，竖井纵轴方向（最大主应力方向）环向应力逐渐降低，竖井周边应力集中显现逐渐隐退，径向应力逐渐增加，且增加幅度逐渐减小；横轴方向（最小主应力方向）环向应力逐渐增加，且竖井周边应力集中逐渐突显，并逐渐向深部转移，径向应力逐渐增大，随后趋向于最小主应力值。

2.2.2 塑性区分析

不同原岩应力条件下竖井围岩塑性区分布云图如图6所示。由图6可知：在原岩最小主应力（20 MPa）一定的条件下，随着原岩最大主应力（20～70 MPa）的增加，竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大，首先向最小主应力方向发展，逐渐呈现为“X”形塑性区。

3 高应力围岩钻孔卸压技术研究

卸压技术是面临冲击威胁矿井广泛采用的一种有效解危措施，目前常用的卸压措施有钻孔卸压、开槽卸压以及爆破卸压等。根据地应力测试结果及岩爆区域预测，结合竖井施工工作面限制及施工安全，本研究采用钻孔卸压作为深部竖井井壁高应力围岩的主动卸压措施。

3.1 分析方案及模型

钻孔卸压效果的主要影响参数为钻孔深度、孔径、钻孔间排距及钻孔布置形式等。根据工程实际情况，共设置了7个不同的钻孔方案（钻孔直径200 mm，深度8 m），如表3所示。

依据矿山地质、工程等基础资料，经过一定程度的简化，建立了如图7所示数值模型。模型以竖井为中心，向四周扩展至开挖直径的5倍以上，竖直方向由地表至卸压影响范围外，最终模型尺寸为X方向和Y方向长度均为100 m，共分为165 000个单元、381 606个节点。数值模型南北向为最大主应力方向，东西向为最小主应力方向，采用轴对称模型，最大水平主应力50 MPa，最小水平主应力16.5 MPa，中间主应力22 MPa。边界条件如下：模型X方向、Y方向和垂直方向施加应力边界条件，应力值分别为最小主应力、最大主应力和中间主应力，模型底部单元进行位移和速度固定。

3.2 结果分析

3.2.1 塑性区分析

1/4模型的不同钻孔和支护条件下竖井围岩塑性区分布如图8所示。对比7个不同钻孔方案的塑性区可知，井筒衬砌情况下塑性区对比无支护时明显减小，在井筒衬砌情况下，围岩钻孔周围形成了新的塑性区。

3.2.2 井壁位移分析

不同钻孔和支护条件下的井壁位移分布如图9所示。

井壁位置角度指正东西方向处的井壁角度为0°，正南北方向的井壁角度为90°。通过分析1/4井壁圆环的径向位移和环向位移可知，在最大水平主应力方向，井壁的径向位移最大，南北方向钻孔方案（方案2）对于控制井壁径向位移的效果最为明显，东西方向的钻孔（方案3、5、6）反而增加了井壁的径向收敛（相对于无钻孔方案7）。对比围岩塑性区分布规律，井壁45°方位为剪切塑性区，南北多钻孔方案（方案4）在此范围内施工钻孔对于控制井壁收敛有负作用。

卸压钻孔对最大水平主应力方位（90°方位）井壁的径向位移和剪切塑性区方位（45°方位）井壁的环向位移影响最大。为有效控制井壁及围岩收敛，应在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向上施工围岩卸压钻孔。

3.2.3 应力分析

不同钻孔和支护条件下竖井围岩应力分布如图10所示。由图10可知：井壁0°方向施工卸压钻孔后围岩最大主应力峰值深度由1.74 m（方案7）向围岩深部转移到2.30 m（方案3），最大主应力峰值由应力集中系数1.26（方案7）增加到最大值1.63（方案3）。说明施工卸压孔使井壁围岩集中应力向围岩深部转移，该处岩体处于三向应力状态，在应力增高区内形成了一圈“自承载结构”，从而充分发挥了围岩的自承能力。

4 现场应用

井壁围岩的地应力以水平构造应力为主导且属于中等—较高地压范围，本研究对深部高应力围岩采用了柔性初支+现浇混凝土井壁支护，并在最大主应力方向施工了卸压钻孔。为确保竖井工程安全，采用信息化监测技术对井壁受力及变形进行了实时监测，为井壁安全性评估、井壁设计优化等提供可靠信息。通过井壁内埋设的传感器实行井壁永久监测，在井筒深部设置了多个监测断面，每个监测断面的监测内容包括井壁围岩多点位移、井壁混凝土轴向/径向/环向应变、围岩/初支与井壁间的压力和地温。监测断面布置见图11。竖井监测系统数据获取及传输流程是，井壁内传感器采集的数据通过井筒内有线传输至中段马头门或硐室内数据采集仪，再经过无线发射传输至井口接收模块。

根据监测结果可知：1#、3#监测点的应力、位移监测数据大于2#、4#监测点数据，与主应力方位相吻合；井壁环向应变、径向应变、纵向应变监测值均小于混凝土的极限应变，井壁位移总量小于2 mm，位移速率远小于预警阈值，井壁处于健康状态，并存有一定的安全余量。因此，本研究采用的柔性初支+现浇混凝土井壁支护配合钻孔卸压技术应用效果良好，在一定程度上解决了高应力竖井围岩控制难题，对深部高应力竖井围岩控制具有借鉴意义。