金川高應(yīng)力破碎巖層溜井施工數(shù)值模擬及支護(hù)*

李兵磊，林國鵬，李永兵

金川高應(yīng)力破碎巖層溜井施工數(shù)值模擬及支護(hù)*

李兵磊1，林國鵬1，李永兵2

(1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350108；2.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

金川高應(yīng)力破碎巖層的溜井施工過程中存在圍巖來壓快、自穩(wěn)時間短，變形量大、持續(xù)時間長，并且具有明顯的非對稱性、時序性和蠕變特征，導(dǎo)致施工與維護(hù)困難等問題。為了研究施工工程的圍巖應(yīng)力狀況，采用離散單元軟件3DEC，建立溜井不同開挖階段的受力模型，研究不同開挖階段溜井圍巖的應(yīng)力、位移破壞規(guī)律；得出加大支護(hù)強(qiáng)度、采用合理的支護(hù)方案、充分發(fā)揮圍巖承載能力，及時形成有效穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)控制高應(yīng)力破碎帶圍巖的變形。根據(jù)實際模擬研究結(jié)果，并通過采用臨時噴漿、一次噴錨網(wǎng)柔性支護(hù)和二次混凝土支護(hù)加鋼襯板等綜合技術(shù)措施，有效解決了高應(yīng)力破碎巖層中的溜井施工難題。

復(fù)雜地層;高應(yīng)力破碎帶;離散元軟件;柔性支護(hù);剛性支護(hù)

0 引 言

采區(qū)溜井是聯(lián)系上部采場與下部運(yùn)輸水平的主要礦石通道，在整個礦山開采中占重要地位，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦塊的生產(chǎn)能力和出礦成本，但是傳統(tǒng)的施工方法是針對高應(yīng)力破碎段采用混凝土掘砌方式，具有施工工藝復(fù)雜、成本高和施工周期長等明顯的缺點，影響了工程建設(shè)速度和施工質(zhì)量[1]。季翱[2]等對溜井破壞的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為圍巖的巖性、支護(hù)強(qiáng)度及應(yīng)力集中等因素是造成溜井嚴(yán)重破壞的原因，并對程潮鐵礦溜井采用了混凝土箱型承載圈梁整體加固的方案；明世祥[3]認(rèn)為采區(qū)溜井的群井效應(yīng)對溜井穩(wěn)定性影響比較大，礦巖破碎構(gòu)造應(yīng)力大的礦山應(yīng)采用內(nèi)加固與外支護(hù)聯(lián)合支護(hù)方式，使井壁與圍巖形成共同承載體；王平[4]以三山島金礦新立礦區(qū)溜井為背景，在?360 m水平制定了現(xiàn)澆混凝土形成墊層后在上部進(jìn)行廢石膠結(jié)充填的治理方案；賈明魁[5]等介紹了平煤集團(tuán)斜井過高應(yīng)力破碎帶，采用的“錨網(wǎng)+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；楊志強(qiáng)[6]等基于金川礦區(qū)地應(yīng)力實測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)金川礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，剪應(yīng)力隨埋深的增加逐漸增大。上述研究都針對溜井使用過程中的嚴(yán)重破壞，針對其破壞的原因及破壞維護(hù)研究較多，在溜井設(shè)計掘進(jìn)階段，針對高應(yīng)力破碎巖層中溜井掘進(jìn)過程的研究較少，在此階段往往忽視了后期高應(yīng)力影響情況[7]，大部分旨在快速通過特殊地段，支護(hù)往往不到位。

因此，本文運(yùn)用三維離散元數(shù)值模擬計算分析，針對高應(yīng)力破碎巖層溜井施工開挖過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行研究，并針對復(fù)雜地層溜井施工，選取安全可靠的支護(hù)方法、確定經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)參數(shù)，以及實施高效的施工工藝，對溜井工程的施工有重要的研究意義。

1 工程概況

金川礦區(qū)東部貧礦開采回風(fēng)井工程，設(shè)計井筒凈直徑5 m，最大開挖荒徑7.8 m，區(qū)域以水平側(cè)壓為主，其破壞特征為：側(cè)墻內(nèi)擠張裂及拱頂擠碎或剪斷，尤其是當(dāng)巷道方向與主應(yīng)力方向垂直時，巷道變形更為為嚴(yán)重；礦區(qū)最大主應(yīng)力軸接近水平，表明礦區(qū)的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，地下工程的變形破壞跡象也表明礦區(qū)以受水平作用的構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。

在應(yīng)力數(shù)值上，表層地應(yīng)力值較小，最大水平應(yīng)力值約為3 MPa左右。該數(shù)量級與華北地區(qū)所測得的結(jié)果相近似，說明礦區(qū)地表應(yīng)力并不大[7]。但應(yīng)力值隨深度增加而增大，在200～500 m深度最大主應(yīng)力值一般為20～30 MPa，最高達(dá)50 MPa。

2 溜井開挖階段數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

為了減少邊界條件的影響[8]，在X和Y方向，左右邊界距離取22.35 m；Z方向，溜井垂直研究范圍為200 m。其中，取X方向為最大主應(yīng)力方向，Y方向為最小主應(yīng)力方向。每次開挖25 m。建立模型尺寸為50 m×50 m×100 m。

邊界條件均采用速度邊界條件，上邊界取至地面為自由面，平行于YOZ面的兩個側(cè)面為X方向約束，平行于XOZ面的兩側(cè)為Y方向約束，平行于XOY面的地面為Z方向約束。初始荷載均為巖體的自重荷載。

為了研究溜井在實際的支護(hù)條件下，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)隨開挖深度的變化規(guī)律，分別計算了25，50，75，100，125，150，175，200 m深度開挖階段井筒的受力分析情況。

2.2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

通過巖石力學(xué)實驗，可以得到巖石的相關(guān)參數(shù)[6-7]，如表1所示；由巖石與節(jié)理面參數(shù)的相關(guān) 經(jīng)驗公式可以得出節(jié)理面的相關(guān)參數(shù)，具體如表2所示。

2.3 結(jié)果分析

為了更好地了解高應(yīng)力情況下掘進(jìn)的圍巖應(yīng)力變化情況，分別研究了開挖到50，100，150，200 m時的位移變化規(guī)律。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

（1）不同開挖深度Z方向塑性區(qū)分布見圖1。由圖1可知，開挖50 m深度時，溜井井筒周圍位移為14 mm，開挖到100 m深度時，溜井井筒位移沉降量為32 mm，部分區(qū)域出現(xiàn)不均勻沉降，開挖到150 m深度時，溜井井筒位移沉降量達(dá)到40 mm左右，塑性區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，局部出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。溜井開挖到200 m深度時，井筒Z方向位移50 mm，由于水平應(yīng)力為主應(yīng)力，井底出現(xiàn)隆起破壞。由此可知，塑性區(qū)域隨著深度的加深而增大，在開挖到100 m深度時開始出現(xiàn)溜井工作面隆起的現(xiàn)象。

（2）X方向應(yīng)力應(yīng)變分析研究。由圖2可知，在溜井開挖深度為50 m時，X方向位移值為5 mm，當(dāng)開挖到100 m深度時，X方向位移為30mm，局部位移量達(dá)到50 mm，局部區(qū)域開始出現(xiàn)不均勻位移情況，在應(yīng)力方面表現(xiàn)為局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。開挖到200 m深度時，X方向位移為70 mm。由應(yīng)力云圖可知，0~100 m區(qū)域，應(yīng)力、應(yīng)變隨深度逐漸變大，變化比較平緩。突變區(qū)域主要集中在100~150 m深度，局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

圖1 不同開挖深度Z方向應(yīng)力云圖

（3）Y方向應(yīng)力、應(yīng)變分析研究。由圖3可知，在高水平應(yīng)力的作用下，當(dāng)溜井開挖到50 m深度時，Y方向的位移量為2 mm，開挖到100 m深度時，Y方向位移為6 mm，小面積區(qū)域開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)開挖到200 m深度時，Y方向位移量為13 mm。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在節(jié)理面部位。可知，當(dāng)開挖深度達(dá)到100 m時，開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部出現(xiàn)塑性區(qū)域。

圖2 不同開挖深度X方向應(yīng)力云圖

圖3 不同開挖深度X方向應(yīng)力云圖

3 溜井支護(hù)

基于溜井工程結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定采用光面爆破、臨時噴漿支護(hù)、一次噴錨網(wǎng)柔性支護(hù)和二次混凝土外加鋼襯板剛性支護(hù)等綜合技術(shù)進(jìn)行高應(yīng)力破碎巖層段的施工[9]。

3.1 臨時支護(hù)

由于圍巖屬于水平應(yīng)力蠕變巖層，自穩(wěn)能力差。在井筒施工過程中，如不及時采取支護(hù)，將會發(fā)生邊幫塌垮。為此，在井筒出完渣后應(yīng)及時對井壁噴射混凝土進(jìn)行臨時支護(hù)，噴射混凝土厚度為50 mm。混凝土配合比為：水泥:砂:石子=1:2:1.5，其中：水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，砂采用含泥量＜3%的中砂，石子采用4～7 mm豆石；水灰比控制在0.45～0.50；速凝劑添加量為水泥量的5%。

3.2 一次支護(hù)

一次支護(hù)采取噴錨網(wǎng)支護(hù)形式。錨桿采用Φ18 mm的鋼筋制作，間排距為1000 mm×1000 mm，錨桿長為2.25 m，托板為200 mm×200 mm×10 mm。桿體按設(shè)計由專業(yè)人員加工，桿體使用前應(yīng)調(diào)直、除銹、除油。鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5 mm的鋼筋焊制，網(wǎng)度：150 mm×150 mm。砂漿按重量配合比為砂:水泥為2:1，水灰比0.35～0.4，中細(xì)砂粒徑小于2.5 mm。

一次支護(hù)的錨桿定期進(jìn)行拉拔力測試，錨桿抗拔力可通過拉拔器作拉拔試驗測出數(shù)值，不合格的錨桿用加密錨桿的方法予以補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 二次支護(hù)

二次支護(hù)采用鋼筋混凝土支護(hù)，井筒段和儲礦段澆筑混凝土厚度為300 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C25；鋼襯板采用=10 mm厚16 Mn鋼板加工制作。

一次支護(hù)后，如果未發(fā)現(xiàn)有裂縫等壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象，二次支護(hù)選擇在有軌卸礦硐室施工完成后，由井筒掘至設(shè)計標(biāo)高自下而上一次完成。如果一次支護(hù)后，井筒出現(xiàn)裂縫等壓力明顯現(xiàn)象，可適當(dāng)擴(kuò)大井筒內(nèi)徑，為井筒收斂變形留有余地，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取分段進(jìn)行二次支護(hù)。

3.4 施工效果監(jiān)測

受現(xiàn)場施工條件的制約，溜井施工技術(shù)的應(yīng)用過程中有可能出現(xiàn)失誤甚至錯誤之處，為了能進(jìn)一步對現(xiàn)場施工效果進(jìn)行檢驗，通過現(xiàn)場觀測獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，了解溜井施工過程中的沉陷和傾斜變形規(guī)律。其結(jié)果不但可用于指導(dǎo)施工、優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計方案，同時也能對同類工程提供借鑒意義。

具體Z方向監(jiān)測點沉降結(jié)果表明，在0~60 d時間段中，位移變化比較大，主要的沉降是由于開挖過程中的自然沉降照成的。其中，最大沉降量為10 mm左右，在隨后的過程中沉降量逐漸趨于平穩(wěn)，井筒周圍點的最終沉降為8 mm左右，第一圈監(jiān)測點在Z方向的最終沉降量為5 mm，局部出現(xiàn)變形較大的點，最大沉降為7 mm，在第二區(qū)域的監(jiān)測點變化注漿后不是太明顯，最大變形量為2 mm。

溜井井筒位置監(jiān)測點的最大變形量為25 mm左右，最外圍監(jiān)測點的最大變形量為4 mm左右，這部分應(yīng)變，均可以通過柔性支護(hù)的方式來釋放變形能量，為二次永久支護(hù)提供變形空間。綜合考慮金川工程地質(zhì)條件可知，X方向的應(yīng)力為主應(yīng)力。通過各個方向變形情況可知，最大應(yīng)力應(yīng)變值均在工程施工允許范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）通過分析溜井不同開挖階段圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況可知，在0~100 m區(qū)域，應(yīng)力、應(yīng)變隨深度逐漸變大，變化比較平緩。突變區(qū)域主要集中在100~150 m深度，局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，在實際工程施工過程中應(yīng)是主要注意區(qū)段。

（2）采用光面控制爆破，臨時噴漿、一次噴錨網(wǎng)柔性支護(hù)和二次混凝土外加鋼襯板剛性支護(hù)等綜合技術(shù)措施，有效地克服了傳統(tǒng)施工方法缺點，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及施工實踐證明，該技術(shù)較好地解決了高應(yīng)力破碎巖層高溜井施工和維護(hù)難的技術(shù)問題。

[1] 宋衛(wèi)東,王洪永,王 欣,等.采區(qū)溜井卸礦沖擊載荷作用的理論分析與驗證[J].巖土力學(xué),2011,35(2):326-340.

[2] 季 翱,宋衛(wèi)東,杜翠鳳,等.采區(qū)溜井嚴(yán)重垮冒原因分析及加固方案研究[J].金屬礦山,2007(6):26-28.

[3] 明世祥.地下金屬礦山主溜井變形破壞機(jī)理分析[J].金屬礦山, 2004(1):5-8.

[4] 王 平.礦石溜井的治理方法研究[J].中國礦業(yè),2018,27(1):282- 288.

[5] 賈明魁,賈立安,劉銀志.高應(yīng)力破碎帶大斷面巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].礦冶工程,2003,23(5):12-14.

[6] 楊志強(qiáng),薛改利,高 謙,等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的金川礦區(qū)地應(yīng)力規(guī)律研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014,34(5):43-46.

[7] 張重遠(yuǎn),吳滿路,廖椿庭.金川三礦地應(yīng)力測量及應(yīng)力狀態(tài)特征研究[J].巖土力學(xué),2013,34(11):3254-3260.

[8] 李兵磊,高永濤,于正興,等.新建樓下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山,2011(6):36-38.

[9] 李 欣,高 謙,劉增輝,等.金川Ⅲ礦區(qū)硐室圍巖蠕變特性與支護(hù)時機(jī)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2011,33(10):1182-1188.

(2019-07-18)

李兵磊(1982—)，男，博士，主要從事巖石力學(xué)相關(guān)研究，Email：libinglei@fzu.edu.cn。

福建省教育廳資助項目(JAT170068)；河南省高等學(xué)校重點科研計劃項目(17A560019)；河南工程學(xué)院博士基金項目(D2016024).