深豎井基巖段支護計算方法探討

郭相參，趙 亮，杜貴文，孫 揚

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

應(yīng)用研究·黑色礦山·

深豎井基巖段支護計算方法探討

郭相參1，趙 亮2，杜貴文1，孫 揚1

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司,河南 洛陽 471039)

深豎井的圍巖應(yīng)力往往很高而且復雜多變，給井筒支護帶來極大的難題，支護不當會造成重大損失?；谄矫鎽?yīng)變理論計算開挖后的二次應(yīng)力，根據(jù)支護與圍巖共同承載的原則，用地層結(jié)構(gòu)法確定圍巖和支護所承擔的應(yīng)力比例，并以薄壁圓筒理論或厚壁圓筒理論計算支護參數(shù)，利用Midas GTS NX進行模擬驗證。結(jié)果表明，這一方法能夠快速得到井壁壓力，為井筒支護提供一種思路和方法，對井筒支護參數(shù)的合理設(shè)計具有一定實際意義和工程價值。

深豎井； 高地應(yīng)力； 二次應(yīng)力； 自支承能力； 共同承載

1 前言

目前，豎井支護通常采用工程類比法。隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，金屬礦山的開采逐漸向深部過渡。高地應(yīng)力、高地溫、高水壓已經(jīng)成為深豎井的致災(zāi)因素?！叭摺眴栴}給深豎井的支護帶來極大挑戰(zhàn)。鑒于特殊的建設(shè)環(huán)境，工程類比法已不能很好解決深豎井的支護問題，其要么對圍巖自支承能力考慮不足，造成支護材料浪費，增加支護成本；要么支護強度不夠，導致井壁破壞，影響工程進度，甚至影響礦山的生產(chǎn)運營，損失慘重。針對這一難題，深豎井可按平面應(yīng)變問題求解井筒開挖后的二次應(yīng)力，利用地層結(jié)構(gòu)法原理計算井壁壓力，根據(jù)薄壁圓筒理論或厚壁圓筒理論初步確定井壁參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，建立數(shù)值三維模型進行模擬。綜合考慮多種不利因素確定井壁參數(shù)，并對其進行驗證。

2 井壁壓力確定

井筒支護原則是充分發(fā)揮圍巖的自支承能力，由圍巖與井壁共同承擔井筒開挖后的二次應(yīng)力。通過地層結(jié)構(gòu)法原理確定圍巖所承擔的二次應(yīng)力大小，而剩余的應(yīng)力則由井壁來承擔，該剩余的應(yīng)力就是需要計算的井壁壓力。

2.1 圍巖二次應(yīng)力

一般認為，井筒的掘進為圍巖變形提供了自由面，其原始靜力平衡狀態(tài)被打破，原巖應(yīng)力場發(fā)生重分布，產(chǎn)生二次應(yīng)力。對于穩(wěn)定的中硬巖層，若不計井壁與圍巖之間摩擦力，圍巖自由面附近的二次應(yīng)力求解可簡化為二向非等壓彈性平面應(yīng)變問題[1]，如圖1所示。

圖1 二次應(yīng)力計算模型圖

(1)

式中：q0——自由面上的二次應(yīng)力或釋放荷載值，MPa；

Pk=SH或Sh，MPa；

SH、Sh——分別為水平主應(yīng)力最大值、最小值，MPa；

μ——圍巖體泊松比；

E——圍巖體彈性模量，MPa；

μc——支護材料泊松比；

Ec——支護材料彈性模量，MPa；

r1——井筒外半徑，m；

r0——井筒內(nèi)半徑，m；

χ——圍巖常數(shù)，χ=3-4μ；

χc——支護材料常數(shù)，χc=3-4μc。

2.2 井壁壓力

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)法的原理，深豎井支護計算可簡化為平面應(yīng)變問題，將圍巖和井壁視為共同承載的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)的邊界條件下分別計算圍巖應(yīng)力和井壁內(nèi)力，并以此驗證圍巖的穩(wěn)定性和確定井壁參數(shù)。采用地層結(jié)構(gòu)法計算時，可通過對二次應(yīng)力設(shè)置分擔比例ζ控制“圍巖+初期支護”的受力，以使“圍巖+初期支護”和井壁能按較為合理的分擔比例共同承受二次應(yīng)力的作用，具體分擔比例ζ可參考表1[2]。

表1 釋放荷載分擔比例表

根據(jù)工程經(jīng)驗，Ⅰ～Ⅲ級圍巖具有較強的自支承能力，Ⅳ～Ⅴ級圍巖則可以實施錨網(wǎng)支護來提高其自支承能力。“圍巖+初期支護”的釋放荷載分擔比例ζ，應(yīng)通過圍巖條件及初期支護強度確定，則井壁壓力設(shè)計值為：

q=γ0γG(1-ζ)q0

(2)

式中：q——井壁壓力設(shè)計值，MPa；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

γG——永久荷載分項系數(shù)；

ζ——“圍巖+初期支護”釋放荷載分擔比例。

3 井壁參數(shù)的確定

3.1 井壁厚度[3～4]

對于井筒支護計算，直徑小于7m及采用凍結(jié)法施工的常采用厚壁圓筒理論；直徑大于7m的常采用薄壁圓筒理論。

(3)

(4)

(5)

式中：d——井壁厚度，m；

fc——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，MN/m2。

3.2 井壁橫向穩(wěn)定性

為保證井壁的橫向穩(wěn)定性，其長細比不得超過下列規(guī)定[3]：

(6)

(7)

式中：L0——井壁圓環(huán)的橫向換算長度，按L0=1.82r計算，m；

r——井壁中心半徑，r=r0+0.5d，m。

3.3 井壁圓環(huán)內(nèi)力

在基巖段，深豎井井筒常受到最大、最小主應(yīng)力的作用，其井壁內(nèi)力應(yīng)按不均勻側(cè)壓力簡化模型進行計算，如圖2所示。

圖2 不均勻側(cè)壓力作用下井壁內(nèi)力計算圖

如圖2所示，不均勻壓力作用下A、B兩點的內(nèi)力[3]：

NA=bqAr1(1+0.758α)

(8)

NB=bqAr1(1+0.5α)

(9)

(10)

(11)

式中：α——不均勻側(cè)壓力系數(shù)，取α=10%；

NA、NB——分別為A、B截面處的軸向力設(shè)計值，MN；

MA、MB——分別為A、B截面處的彎矩設(shè)計值，MN·m；

qA、qB——分別為A、B點的井壁壓力設(shè)計值，qA

b——井壁構(gòu)件計算寬度，常取b=1m。

3.4 井壁圓環(huán)承載力

取圖2中A、B兩點內(nèi)力較大的進行偏心距和承載力計算?；炷辆诔休d力按下列公式[3]驗算，當偏心距e≤0.9Y0時：

(12)

若按式(12)計算，當e≥0.45Y0時，混凝土受拉區(qū)須構(gòu)造配筋，配筋率不小于截面面積的0.05%。當偏心距e≥0.45Y0時：

(13)

Y0——截面重心至受壓區(qū)邊緣的距離，m；

ft——井壁材料抗拉強度設(shè)計值，MN/m2；

φ——混凝土構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按表2選取。

表2 混凝土構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)

4 豎井設(shè)計實例

4.1 工程概況

國內(nèi)某鐵礦豎井，凈直徑為10m，井筒深度1 498m，井深1 050m以下圍巖為混合花崗巖。進行豎井工程地質(zhì)勘察時對全井原巖應(yīng)力進行了測量，通過巖石力學試驗取得了圍巖體的變形參數(shù)。該井深部原巖應(yīng)力及圍巖體變形參數(shù)如表3所示。

表3 井筒原巖應(yīng)力及圍巖變形參數(shù)

結(jié)合副井工況，確定錨桿為φ22mm×3m，間距1m×1m，井壁材料為C40級混凝土?！皣鷰r+初期支護”分擔的釋放荷載的比例按75%考慮。

4.2 井壁壓力及支護參數(shù)計算

將表3中的數(shù)據(jù)代入式(1)～(2)，可以求得井壁A、B兩點的壓力，如表4所示。

豎井直徑大于7m，應(yīng)采用薄壁圓筒理論計算井壁厚度。將表4中的數(shù)據(jù)代入式(3)、式(6)，可以求得井壁厚度計算結(jié)果，如表5所示。

根據(jù)表5計算結(jié)果，初步確定井壁厚度為450mm。

4.3 數(shù)值模擬

結(jié)合工程地質(zhì)勘察報告，利用Midas GTS NX對井筒建立長×寬×高=80m×80m×50m的三維模型，見圖3。考慮圍巖受裂隙、地下水、爆破等影響，將巖塊的物理力學參數(shù)指標折減成巖體的物理力學指標，重度和泊松比不折減，抗壓強度按0.7折減，其余參數(shù)按0.75折減。用桁架單元模擬，錨桿鉆孔取40mm，錨桿復合彈性模量計算的83GPa。井壁厚度為450mm。模擬結(jié)果如圖4所示。

表4 井壁壓力計算結(jié)果

表5 井壁厚度計算結(jié)果

圖3 數(shù)值模型圖

圖4 襯砌應(yīng)力模擬結(jié)果

結(jié)果顯示，井壁應(yīng)力介于-2.52～-7.97N/mm2之間，均小于井壁材料的設(shè)計強度值，說明在考慮圍巖充分承擔二次應(yīng)力的條件下，該厚度的井壁是安全可靠的?？紤]到井壁受高地溫、高水壓、爆破、施工等因素的不利影響，確定井壁厚度為600mm。

4.4 井壁承載力驗算

將井壁壓力及參數(shù)代入式(8)～(11)，可以求得A、B兩點的內(nèi)力，如表6所示。

表6 井壁內(nèi)力計算結(jié)果

根據(jù)表6計算結(jié)果，取A點內(nèi)力進行井壁偏心距和承載力驗算，驗算結(jié)果如表7所示。

4.5 支護參數(shù)確定

根據(jù)上述計算結(jié)果，該豎井基巖段支護參數(shù)確定為錨網(wǎng)一次支護+600mm厚混凝土二次支護。錨桿為φ22mm×3m，間距1m×1m。托板為δ=12mm，S=180mm×180mm；金屬網(wǎng)采用φ6.5mm圓鋼，網(wǎng)度為150mm×150mm。

表7 井壁承載力驗算結(jié)果

該豎井自建設(shè)完成半年以來，井壁無破壞，完整性好，表明用此方法計算井壁支護在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

5 結(jié)語

(1)引用彈性平面應(yīng)變問題求解井筒掘進后的二次應(yīng)力，并以地層結(jié)構(gòu)法原理確定圍巖和井壁所承擔的二次應(yīng)力的比例，以此計算井壁壓力，使井筒支護設(shè)計經(jīng)濟合理。

(2)根據(jù)井壁壓力結(jié)果，計算不均勻側(cè)壓力作用下的井壁厚度和內(nèi)力，利用Midas GTS NX對計算結(jié)果進行模擬驗算。根據(jù)數(shù)值模擬驗證結(jié)果，并考慮不利影響因素，最終確定井壁參數(shù)，并對井壁的承載力進行驗算，使深豎井支護設(shè)計有了安全性保障。

(3)深豎井建設(shè)遇到“三高”問題，對設(shè)計和施工都將產(chǎn)生一定的影響。設(shè)計方面，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已不能很好解決深豎井支護問題，也是不科學的，本文所提出的方法為井筒支護提供了一種思路和方法，可供相似豎井設(shè)計參考。施工方面，應(yīng)加強巖爆預測預報；應(yīng)堅持“有疑必探、先治后掘”的防治水方針，采取“防、堵、疏、排、截”綜合治理措施；可采用加強通風、人工制冷、冰塊、個體防護等多種措施來降低作業(yè)環(huán)境溫度。通過設(shè)計和施工方面的一系列措施，為深豎井建設(shè)提供了條件。

[1] 徐干成，等.地下工程支護結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2] JTG D70- 2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 北京有色冶金設(shè)計研究總院.采礦設(shè)計手冊(3)井巷工程卷 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.

[4] GB 50384- 2007，煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

Calculation method discussion of deep shaft bedrock section support

Usually, the initial stress of surrounding rock is high and much changeable, which brings great difficulty to shaft support. If the support isn’t reasonable, it will result in serious losses. Based on the theory of plane strain, the secondary stress can be inferred. According to the principle of support and surrounding rock work together, the scale of stress between surrounding rock and support was modulated through stratum structure method, and the supporting parameters were determined with thin-cylinder theory or thick-cylinder theory, which was verified by Midas GTS NX. The application showed that this method can get supporting force quickly, which provided an idea or method for shaft support, and it is significant in practice and valuable in engineering for the correct design of shaft supporting parameters.

deep shaft; high ground stress; secondary stress; self-supporting capacity; bearing together

TD350.1

A

郭相參(1983-)，男，河南泌陽人，工程師，主要從事深埋高地應(yīng)力隧(巷)道卸壓支護技術(shù)及巖土和井巷工程建設(shè)方面的研究與設(shè)計工作。