伊犁一礦礫石層斜井圍巖穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

岳中文，孫中輝，2，牛學(xué)超，郭東明

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271233；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042)

伊犁一號(hào)礦井是位于新疆伊犁礦區(qū)，該區(qū)第四系表土層中普遍存在巨厚礫石層。礫石土層，既不同于一般的巖體，又不同于一般的土體，而是介于土體與巖體之間的一種特殊的地質(zhì)體，具有物質(zhì)結(jié)構(gòu)雜亂無(wú)章、分選性差、粒間結(jié)合力差、透水性強(qiáng)等獨(dú)特的工程地質(zhì)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)[1-3]。特別是對(duì)于含水礫石土層，更是給礦井建設(shè)工程帶來(lái)了較大困難，施工中引起塌方、片幫等工程事故，使得建井工期加長(zhǎng)，建井成本增加，存在施工安全隱患[4]。凍結(jié)法是解決此類(lèi)問(wèn)題比較好的方法，但是，無(wú)論凍結(jié)法是用在立井還是斜井上都需要鉆鑿很多的凍結(jié)孔，凍結(jié)深度、凍結(jié)范圍大，凍結(jié)施工成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)比普通法施工大。所以，在地質(zhì)環(huán)境適宜的條件下，將礫石層立井凍結(jié)法改變?yōu)樾本胀ǚㄊ┕ぃ梢怨?jié)約大量的建井成本。因此，針對(duì)含水厚礫石層普通法施工斜井井筒，必須加強(qiáng)圍巖破壞特征的研究，提出合理有效的整治防護(hù)方法。

本文通過(guò)試驗(yàn)不同的礫石層圍巖現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方法，研究含水礫石層斜井井筒地壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，試驗(yàn)研究結(jié)論可為伊犁礦區(qū)建設(shè)方案選取的提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)回風(fēng)井凈寬6000mm，掘進(jìn)寬度7000mm，掘進(jìn)高度6000mm，其中墻高2300mm，拱高3000 mm。材料斜井井筒凈寬4500mm，掘進(jìn)寬度5400mm，掘進(jìn)高度4600mm，其中墻高1900mm，拱高2700mm。井筒的臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)與井筒開(kāi)挖方式保持一致。試驗(yàn)前，對(duì)礫石地層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)，依據(jù)支護(hù)理論并通過(guò)綜合論證，提出了3套支護(hù)設(shè)計(jì)方案。圖1表示井筒地質(zhì)情況和井筒斷面大小。

圖1 原型井筒地質(zhì)情況和巷道斷面大小

支護(hù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下：

(1)短段掘砌支護(hù)

井筒完成明槽開(kāi)挖以后，首先采取短段掘砌的支護(hù)方式。支護(hù)材料為鋼筋混凝土，直墻半圓拱形，混凝土厚度為450mm，強(qiáng)度為C30。

(2)臨時(shí)支護(hù)+永久支護(hù)

臨時(shí)支護(hù)：采用U25型鋼支架，間距0.5～1.0mm。噴漿標(biāo)號(hào)為C20，架棚前噴漿厚度為30mm。永久支護(hù)：臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度不超過(guò)30m。支護(hù)材料、規(guī)格及混凝土強(qiáng)度與方案(1)相同。

(3)超前支護(hù)+臨時(shí)支護(hù)+永久支護(hù)

當(dāng)圍巖穩(wěn)定性差時(shí)，采取該種支護(hù)方式[5-7]。根據(jù)圍巖的穩(wěn)定狀況，其支護(hù)方式又分為以下3種：

①圍巖較穩(wěn)定

超前支護(hù)：錨桿支護(hù)，錨桿的規(guī)格類(lèi)型為直徑×長(zhǎng)度=φ43mm×1800mm，管縫式，錨桿間距300～500mm。臨時(shí)支護(hù)：U25型鋼支架，間距0.5～1.0m。噴漿標(biāo)號(hào)為C20，噴層厚度為30mm。永久支護(hù)：臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度不超過(guò)20m。支護(hù)材料、規(guī)格及混凝土強(qiáng)度與方案(1)相同。

② 圍巖不穩(wěn)定

超前支護(hù)：小短管支護(hù)，短管規(guī)格為直徑×長(zhǎng)度=φ30mm×4000mm，間距300mm，拱部布置。臨時(shí)支護(hù)：U25型鋼半圓拱支架，間距0.5～1.0m。噴漿標(biāo)號(hào)C20，初噴厚度30mm，復(fù)噴厚度至與U型鋼外表面平齊。永久支護(hù)：臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度不超過(guò)20m。支護(hù)材料與方案(1)相同。

③ 圍巖極不穩(wěn)定

超前支護(hù)：管棚支護(hù)，管棚規(guī)格為直徑×長(zhǎng)度=φ90mm×9000mm，間距300mm，拱部布置。臨時(shí)支護(hù)：U25半圓拱支架，間距0.5～1.0m；掛網(wǎng)規(guī)格長(zhǎng)×寬=6500×1000mm，網(wǎng)格為長(zhǎng)×寬=80×80mm；噴漿標(biāo)號(hào)C20，初噴厚度30mm，復(fù)噴厚度至與U型鋼外表面平齊。永久支護(hù)：臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度不超過(guò)2根管棚的長(zhǎng)度。支護(hù)材料與方案(1)相同。

上述支護(hù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案中，材料井?dāng)嗝嫘?，臨時(shí)支護(hù)參數(shù)間距取大值；回風(fēng)井?dāng)嗝娲?，臨時(shí)支護(hù)參數(shù)間距取小值。

2 支護(hù)試驗(yàn)過(guò)程

超前支護(hù)錨桿參數(shù)與設(shè)計(jì)方案相同，鉆頭直徑φ42mm。錨桿接茬重復(fù)部分不小于400mm。U25型鋼臨時(shí)支護(hù)支架排距500～1000mm。鋼筋混凝土預(yù)制板作為U型鋼的背板，長(zhǎng)度和棚間距相適應(yīng)。錨桿超前支護(hù)試驗(yàn)井筒20m。臨時(shí)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，永久支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

永久支護(hù)后無(wú)法再進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)巷道變形的測(cè)量，所以測(cè)試均在混凝土砌碹前結(jié)束。臨時(shí)支護(hù)過(guò)程完成后設(shè)置兩個(gè)測(cè)站，在距離井口73.5m和83m處分別設(shè)置1號(hào)測(cè)站和2號(hào)測(cè)站。圖4表示1#測(cè)站安裝過(guò)程。

有錨桿超前支護(hù)段且無(wú)水條件下，斜井井筒總體變形量不大，初步判定礫石圍巖屬于壓實(shí)礫石層，穩(wěn)定性較好。同時(shí)考慮到在礫石層中打眼困難，開(kāi)始試驗(yàn)不做超前支護(hù)的方案，即第二設(shè)計(jì)方案。施工至井筒斜長(zhǎng)113m處，發(fā)現(xiàn)支架變形較小，隨后將U25支架改為18#工字鋼支架支護(hù)，直至材料井斜長(zhǎng)250m處，回風(fēng)井斜長(zhǎng)228m處。其間，在回風(fēng)井和材料井井筒中均設(shè)置3個(gè)測(cè)站。

材料井和回風(fēng)井施工至井筒斜長(zhǎng)250m和228m處先后遇到地層水，地層變?yōu)楹[石層，圍巖穩(wěn)定性變得很差，支護(hù)方法不得采用第三種試驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)方案的第二種方法，即小短管超前支護(hù)，U25半圓拱支架臨時(shí)支護(hù)，富水地層臨時(shí)支護(hù)如圖5所示。同時(shí)，要保證臨時(shí)支護(hù)的長(zhǎng)度不大于15m，加強(qiáng)壁厚充填，及時(shí)完成永久支護(hù)。在回風(fēng)井和材料井含水礫石施工段分別設(shè)置了6#、7#和8#測(cè)站。為了掌握含水礫石層井筒變形規(guī)律，特別留出回風(fēng)井7#測(cè)站前后共10m井筒不做永久支護(hù)，測(cè)試時(shí)間將近兩個(gè)月。

圖2 臨時(shí)支護(hù) 圖3 混凝土永久支護(hù)

圖4 無(wú)水段1#測(cè)站安裝 圖5 富水段小短管支護(hù)

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)支護(hù)試驗(yàn)方案3的第三種方法。井筒涌水量達(dá)到12m3/h后，由于特殊原因，在回風(fēng)井井筒中曾經(jīng)采用18#工字鋼作為臨時(shí)支護(hù)支架，連續(xù)出現(xiàn)3次井筒圍巖失穩(wěn)事故，對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生了一定的影響。最終，均是參照第3設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案的第2種施工方法成功穿越含水不穩(wěn)定地層。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)水礫石地層大斷面斜井井筒支護(hù)

以回風(fēng)井井筒支護(hù)試驗(yàn)為例加以分析。1#～5#測(cè)站均是在無(wú)水礫石層井筒中設(shè)置，圖6～圖10是相應(yīng)的井筒變形曲線。圖6和圖7分別表示1#和2#測(cè)站圍巖移近曲線。由圖6和圖7曲線可以看出，在淺部地層錨桿超前支護(hù)的井筒中，井筒掘進(jìn)后約10天內(nèi)圍巖位移速度較大，為掘進(jìn)影響階段，其后巷道變形趨于緩和；頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平?，表明巷道變形中，頂?shù)装遄冃握贾饕糠帧?#測(cè)站表示巷道掘進(jìn)后24天內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為71mm和28mm。2#測(cè)站表示巷道掘進(jìn)后9天內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為57mm和43mm。

圖6 1#測(cè)站圍巖移近曲線圖

圖7 2#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

圖8、圖9和圖10分別表示3#、4#和5#測(cè)站圍巖移近曲線。3#、4#和5#測(cè)站也是設(shè)置在無(wú)水礫石地層中，但是僅僅采取了臨時(shí)支護(hù)+永久支護(hù)的支護(hù)方式，其圍巖變形級(jí)別相差不多，現(xiàn)選擇5#測(cè)站代表圍巖頂?shù)装搴蛢蓭鸵平考右苑治?。井筒掘進(jìn)后約20天內(nèi)圍巖位移速度較大，為掘進(jìn)影響階段，其后巷道變形趨于緩和；頂?shù)装逡平客瑯哟笥趦蓭鸵平?，表明巷道變形中，頂?shù)装遄冃握贾饕糠帧?#測(cè)站表示巷道掘進(jìn)后26天內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為138mm和99mm。

圖8、圖9和圖10分別表示3#、4#和5#測(cè)站圍巖移近曲線。3#、4#和5#測(cè)站也是設(shè)置在無(wú)水礫石地層中，但是僅僅采取了臨時(shí)支護(hù)+永久支護(hù)的支護(hù)方式，其圍巖變形級(jí)別相差不多，現(xiàn)選擇5#測(cè)站代表圍巖頂?shù)装搴蛢蓭鸵平考右苑治觥＞簿蜻M(jìn)后約20天內(nèi)圍巖位移速度較大，為掘進(jìn)影響階段，其后巷道變形趨于緩和；頂?shù)装逡平客瑯哟笥趦蓭鸵平浚砻飨锏雷冃沃?，頂?shù)装遄冃握贾饕糠帧?#測(cè)站表示巷道掘進(jìn)后26天內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為138mm和99mm。

圖8 3#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

圖9 4#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

圖10 5#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

3.2 富水礫石地層大斷面斜井井筒支護(hù)

6#和7#測(cè)站是在回風(fēng)井斜長(zhǎng)250m處遇到地層水以后設(shè)置的測(cè)點(diǎn)。其中7#測(cè)站測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，該段圍巖變形量圖11所示。從圖11可以看出，在近2個(gè)月的測(cè)量過(guò)程中，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平偭糠謩e達(dá)到313mm和236mm。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，含水卵礫石地層斜井井筒圍巖的地壓較大，穩(wěn)定性很差。施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)片幫等事故。超前支護(hù)必須及時(shí)，否則容易出現(xiàn)迎頭頂板不同程度冒落事故。在采用一段18#工字鋼臨時(shí)支護(hù)的回風(fēng)井斜井井筒中，支護(hù)僅能穩(wěn)定在5～8天左右，迎頭后方連續(xù)4次出項(xiàng)冒頂事故。通過(guò)分析，均為臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度不足而引起。改用U25型鋼臨時(shí)支護(hù)以后，穩(wěn)定性大都明顯改善。

通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)含水礫石地層斜井井筒支護(hù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)水礫石地層。

圖11 7#測(cè)站井筒周邊圍巖移近量曲線

3.3 斷面不同礫石地層斜井井筒支護(hù)特點(diǎn)

在含水礫石地層試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相同臨時(shí)支護(hù)條件下，兩個(gè)井筒變形量和地壓水平表現(xiàn)相差較大。圖12和圖13分別表示為垂直深度相當(dāng)?shù)牟牧暇?#測(cè)站與回風(fēng)井6#測(cè)站圍巖移近量曲線。

由圖12和圖13曲線可知，支護(hù)方式和支護(hù)材料相同、測(cè)量時(shí)間相當(dāng)、測(cè)試深度相近條件下，材料井8#測(cè)站支架代表的頂?shù)装蹇傄平繛?83mm，兩幫的總移近量為122mm；回風(fēng)井6#測(cè)站支架代表的頂?shù)卓傄平繛?22mm，兩幫的總移近量為161mm?；仫L(fēng)井?dāng)嗝娣e約是材料井的1.7倍，回風(fēng)井支架代表的頂?shù)装逡平考s為材料井的1.21倍，回風(fēng)井支架兩幫移近量約為材料井的1.32倍。

在含水礫石地層階段，一旦井筒超前支護(hù)不及時(shí)，裸露井筒頂板卵石很容易成塊掉落，但材料井比回風(fēng)井自穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng)。支架棚腿穿鞋面積相同條件下，材料井棚腿插入底板深度小，而回風(fēng)井棚腿插入深。施工中，為了防止回風(fēng)井棚腿嚴(yán)重下沉，在井筒兩幫底部做出鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，支架棚腿立在條形基礎(chǔ)之上，而材料井棚腿仍然采用穿鞋的方式?？梢?jiàn)，相同條件下，礫石層中的大斷面斜井井筒比小斷面斜井井筒支護(hù)難度大得多。

圖12 材料井8#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

圖13 回風(fēng)井6#測(cè)站井筒周邊圍巖移近曲線

3.4 回風(fēng)斜井含水礫石段冒頂?shù)念?lèi)型與原因分析

伊犁一礦的回風(fēng)井的含水礫石段容易產(chǎn)生冒頂事故，因?yàn)槭切本?，?dāng)臨時(shí)支架的架與架之間連接力小于下滑力時(shí)，支架之間的整體性和穩(wěn)定性就變得很差；同時(shí)由于頂板滲水而離層，支架上方的荷載明顯增加；當(dāng)背板不實(shí)時(shí)，支架更容易下滑；如果棚腿不是在加固的土層上，抵抗下滑力的能力明顯減少。由以上分析可知，回風(fēng)井工字鋼支護(hù)試驗(yàn)段的冒頂類(lèi)型為推垮型。

由上述分析可知，流沙層以下回風(fēng)井井筒頂板是被水浸透了的。當(dāng)?shù)[石層含水時(shí)，基本上失去了強(qiáng)度，很小的空間都會(huì)使其下漏。當(dāng)有部分背板不嚴(yán)，無(wú)論頂部還是幫部，斜井井筒均會(huì)出現(xiàn)一定程度的漏冒，只不過(guò)漏冒的程度不同而已。這樣，回風(fēng)井的冒頂有漏冒型的特點(diǎn)。

富水礫石層失穩(wěn)的主要原因是地下水的作用。實(shí)際上，上述兩種因素都在起作用，從現(xiàn)場(chǎng)觀察到的情形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有冒頂事故時(shí)，幾架支架向一個(gè)方向傾倒。所以，可以認(rèn)為含水礫石段回風(fēng)斜井的失穩(wěn)屬于推垮-漏冒復(fù)合型冒頂。

4 結(jié) 論

(1)無(wú)水礫石層大斷面斜井井筒圍巖較為穩(wěn)定，架棚臨時(shí)支護(hù)、鋼筋混凝土井壁作為永久支護(hù)是有效的支護(hù)方法。

(2)在含水礫石層中宜采用超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方法。支護(hù)的重點(diǎn)是工作面滲水或涌水治理。影響支護(hù)效果的關(guān)鍵因素是滲水量的多少，主要因素為井筒斷面大小，相同條件下大斷面井筒比小斷面井筒變形明顯，支護(hù)難度大。

(3)斜井井筒自然水流向下，永久支護(hù)穿過(guò)含水層后如果沒(méi)有注漿或工作面降水等有效的堵水或?qū)胧?，在壁厚?dǎo)水和松動(dòng)圈擴(kuò)展的共同作用下，其下的井筒都將處在圍巖滲水狀態(tài)，給支護(hù)帶來(lái)極大的困難。因而，礫石土層斜井井筒普通法施工遇到含水層后，要先治水再繼續(xù)施工，絕對(duì)不能不加治理冒險(xiǎn)繼續(xù)掘進(jìn)。

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