思山嶺鐵礦1500m副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性分析與控制研究

李洋洋 趙興東 代碧波 李懷賓

(1.東北大學(xué)深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000;3.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

深井采礦已成為國家深地戰(zhàn)略的重要組成部分,深豎井建設(shè)已成為我國礦山建設(shè)發(fā)展面臨的首要任務(wù)?！笆晃濉逼陂g,開展了國家科技支撐計(jì)劃課題“千米級(jí)深井基巖快速掘砌關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”的相關(guān)工作,形成了掘進(jìn)深度達(dá)1 200 m、凈直徑多為6 m的深豎井建造能力[1]。在此基礎(chǔ)上,“十二五”期間,豎井建設(shè)深度延伸至1 500m,井筒凈直徑擴(kuò)大至10m,但該深度井筒施工速度驟降,施工工期陡增,使得大直徑深豎井施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)過高。進(jìn)入“十三五”,以1 500 m以深、2 000 m以淺豎井建設(shè)為目標(biāo),完成了“深部金屬礦建井與提升關(guān)鍵技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,但實(shí)際豎井建設(shè)深度未超過1 600 m,豎井建設(shè)理論、方法與技術(shù)發(fā)展仍不充分、不完善?！笆奈濉遍_局,三山島金礦正在進(jìn)行設(shè)計(jì)深度達(dá)2 000 m的深豎井建設(shè),而我國1 600～2 000 m深度豎井建設(shè)尚屬空白,深豎井建設(shè)理論、方法與技術(shù)發(fā)展仍滯后于深豎井建設(shè)需求,深豎井建設(shè)仍存在巨大的不確定性與工程風(fēng)險(xiǎn)。

隨著豎井建設(shè)的深部化,如何進(jìn)行深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制已成為深豎井建設(shè)亟需解決的問題。然而,我國深豎井建設(shè)理論與技術(shù)尚不完善,傳統(tǒng)淺埋豎井建設(shè)理論與技術(shù)仍被沿用。其中,巖體分級(jí)所用的分級(jí)指標(biāo)尚不充分,不同等級(jí)的同一分級(jí)指標(biāo)區(qū)分度差,其應(yīng)用于深豎井建設(shè)的適用性不足,相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方法存在局限性[2]。同時(shí),傳統(tǒng)淺埋豎井井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方法——試錯(cuò)法仍被應(yīng)用于深豎井建設(shè),其設(shè)計(jì)過程包括擬定試錯(cuò)支護(hù)方案、計(jì)算支護(hù)力與支護(hù)壓力以及計(jì)算安全系數(shù),重復(fù)以上過程從而獲得安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的支護(hù)方案。該方法強(qiáng)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)在井筒圍巖穩(wěn)定性控制中起主要作用,忽略了井筒圍巖的自穩(wěn)能力[3];與之配套的淺埋豎井短段掘砌混合作業(yè)施工工藝同樣被應(yīng)用于深豎井建設(shè),其要求豎井開挖后及時(shí)進(jìn)行剛性支護(hù),致使井筒圍巖高應(yīng)力積聚,出現(xiàn)巖爆、大變形等地壓顯現(xiàn)活動(dòng),井壁破裂與井筒失穩(wěn)頻繁發(fā)生[4]。NATM與NMT均是在地下工程圍巖存在自穩(wěn)能力認(rèn)知的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮地下工程圍巖自穩(wěn)能力的現(xiàn)代地下工程圍巖穩(wěn)定性控制理論或方法,其應(yīng)用于礦山采場(chǎng)、巷道等工程的拓展方法在澳大利亞、南非與加拿大等國相繼出現(xiàn)[5-7],同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于我國軟破巖層隧(巷)道等地下工程圍巖穩(wěn)定性控制中,然而該理論或方法尚未在我國深豎井建設(shè)中推廣應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)淺埋豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法應(yīng)用于深井建設(shè)存在的問題,本研究基于NATM與NMT法,提出深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法,并據(jù)此進(jìn)行思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì),分析深豎井井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的基本流程,為我國深豎井建設(shè)發(fā)展提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

思山嶺鐵礦位于遼寧省本溪市東南郊16 km,南芬區(qū)北9 km處思山嶺村北側(cè)一帶,副井井深1 503.9 m,地表標(biāo)高+37.2 m,井筒凈直徑10.0 m,位于礦區(qū)西南側(cè)礦體分布區(qū)外圍。根據(jù)地質(zhì)勘查資料,副井井筒通過巖土層包括碎石土、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、弱風(fēng)化千枚巖、微風(fēng)化千枚巖、未風(fēng)化千枚巖、未風(fēng)化石英巖、未風(fēng)化白云石大理巖、未風(fēng)化赤鐵石英巖、未風(fēng)化石英砂巖以及未風(fēng)化混合花崗巖。其中,井筒基巖層巖體一般完整或較完整,節(jié)理、裂隙不發(fā)育,總體工程穩(wěn)定性較好。同時(shí)各巖層均賦存有少量風(fēng)化裂隙水或裂隙水,富水性差,涌水量小。該礦副井所在巖層水平最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及豎直主應(yīng)力可表示為

式中,σH為水平最大主應(yīng)力,MPa;σh為水平最小主應(yīng)力,MPa;σv為垂直主應(yīng)力,MPa;H為巖層深度,m。水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,方位角為68°。

思山嶺鐵礦副井掘進(jìn)采用國家一體化短段掘砌混合作業(yè)施工工藝,按照鑿巖、爆破、通風(fēng)、排矸平底、立模襯砌的單行作業(yè)順序施工,井筒開挖后即進(jìn)行錨網(wǎng)噴+混凝土襯砌支護(hù),掘進(jìn)進(jìn)尺4 m,掘進(jìn)循環(huán)周期為1～2 d。根據(jù)副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性情況,設(shè)計(jì)的支護(hù)形式包括:①素混凝土支護(hù),適用于整體性好的穩(wěn)定巖層;② 錨網(wǎng)+素混凝土支護(hù),適用于較破碎的穩(wěn)定巖層;③ 錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土支護(hù),適用于破碎的不穩(wěn)定巖層。井筒深度424.1 m以淺支護(hù)混凝土強(qiáng)度為C30,424.1 m以深支護(hù)混凝土強(qiáng)度為C40,支護(hù)厚度均為600 mm。

2 井筒圍巖巖體分級(jí)與物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算

巖體分級(jí)是地下工程設(shè)計(jì)與施工的重要工具,運(yùn)用時(shí)常常與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合[8]。結(jié)合地質(zhì)勘查資料,本研究運(yùn)用Q、RMR與GSI等巖體分級(jí)方法[9-11]進(jìn)行思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖體分級(jí),結(jié)果見表1。

表1 副井基巖段井筒圍巖巖體分級(jí)Table 1 Rock m ass classification of shaft surrounding rock in bedrock section of auxiliary shaft

因巖體尺寸過大,無法通過巖石力學(xué)試驗(yàn)獲取相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù),近年來,多種基于巖體分級(jí)的巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法被提出,并得到了發(fā)展[12-15]。其中,HEOK等[12]提出的基于GSI的巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法適用范圍廣,計(jì)算參數(shù)類型全面,被廣泛應(yīng)用于地下工程巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算中。本研究據(jù)此進(jìn)行了思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算,結(jié)果見表2。

表2 副井基巖段井筒圍巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock mass of service shaft bedrock section

3 副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性分析

對(duì)于地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法,RMR穩(wěn)定性圖表法[16]是唯一可基于巖體質(zhì)量與開挖體尺寸給出可靠的無支護(hù)自穩(wěn)跨度/高度及相應(yīng)自穩(wěn)時(shí)間的穩(wěn)定性分析方法。本研究運(yùn)用該方法進(jìn)行思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性分析,結(jié)果見表3。

表3 副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 3 Stability analysis results of surrounding rock of service shaft bedrock section

由表6可知:思山嶺鐵礦副井基巖段最小無支護(hù)自穩(wěn)高度為22 m,對(duì)應(yīng)自穩(wěn)時(shí)間為125d,而該礦副井掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為4 m,即副井掘進(jìn)期間井筒圍巖最大無支護(hù)高度為4m,用時(shí)1～2 d。由此可知:該礦副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性可完全滿足副井井筒掘支施工的穩(wěn)定性要求;考慮到思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖無永久自穩(wěn)情況,為確保掘進(jìn)至役期井筒及其圍巖長期穩(wěn)定,副井開挖后井筒圍巖仍需采取適宜的支護(hù)措施。

4 副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性控制研究

4.1 深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法

傳統(tǒng)淺埋豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論是在傳統(tǒng)地壓理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)地壓理論認(rèn)為,地下工程圍巖僅是一種復(fù)雜荷載系統(tǒng),開挖后即需通過剛性支護(hù)控制工程圍巖穩(wěn)定性。隨著豎井建設(shè)深度增加,地應(yīng)力增加,豎井開挖后即進(jìn)行剛性支護(hù)使得井筒圍巖高應(yīng)力積聚,出現(xiàn)巖爆、大變形等地壓顯現(xiàn)活動(dòng),井壁破壞與井筒失穩(wěn)頻繁發(fā)生[2]?，F(xiàn)代地壓理論認(rèn)為,地下工程圍巖不僅僅是一種復(fù)雜的荷載系統(tǒng),其同時(shí)具備一定的自穩(wěn)能力,由此形成了強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力的地下工程圍巖穩(wěn)定性控制理論,發(fā)展了諸如NATM、NMT等地下工程圍巖穩(wěn)定性控制方法[10,16]。鑒于此,在地下工程圍巖存在自穩(wěn)能力認(rèn)知的基礎(chǔ)上,對(duì)于深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制,提出了強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力的深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論,并結(jié)合當(dāng)前豎井建設(shè)實(shí)際,基于NATM與NMT法,提出了初次錨網(wǎng)噴支護(hù)維持與發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力、混凝土襯砌永久支護(hù)保障井筒及其圍巖長期穩(wěn)定的深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制方法。

4.2 副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

在思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)中,采用本研究提出的深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法,即支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括初次錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)與混凝土襯砌永久支護(hù)設(shè)計(jì),同時(shí)考慮發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力的時(shí)空要求,結(jié)合理論與經(jīng)驗(yàn)選擇合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。

4.2.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)

地下工程圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方法可分為3類,即理論法、經(jīng)驗(yàn)法與數(shù)值模擬法?；趲r體分級(jí)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法經(jīng)過工程驗(yàn)證已成為一類方便可靠的支護(hù)設(shè)計(jì)方法。通過基于Q、RMR的支護(hù)設(shè)計(jì)方法[9,15]進(jìn)行深豎井井筒圍巖“錨網(wǎng)噴”初次支護(hù)設(shè)計(jì),避免運(yùn)用單一經(jīng)驗(yàn)方法存在的局限性。思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖“錨網(wǎng)噴”初次支護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 副井基巖段圍巖初次支護(hù)設(shè)計(jì)Table 4 Primary support design of surrounding rock of service shaft bedrock section

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際,錨桿鋼型選擇HRB300,直徑22 mm?？紤]Sb≤0.5Lb時(shí)具有較好的錨桿支護(hù)效果,錨桿支護(hù)參數(shù)在原經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上有所調(diào)整。同時(shí),為簡化現(xiàn)場(chǎng)施工,提高井筒掘支效率,部分基巖段井筒圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了合并處理。

4.2.2 混凝土襯砌設(shè)計(jì)

混凝土襯砌是常見的豎井支護(hù)形式,規(guī)則的井筒輪廓便于井筒設(shè)備安裝,光滑的混凝土井壁可大幅降低通風(fēng)阻力,混凝土集水結(jié)構(gòu)有助于井筒地下水收集,保持井筒干燥[2]。運(yùn)用深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法,可使混凝土井壁處于緩、低承壓狀態(tài),既保證了混凝土井壁安全性,又可為井筒開挖邊界圍巖營造三維應(yīng)力狀態(tài),大幅提高井筒圍巖穩(wěn)定性。

基于深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法,通過調(diào)整混凝土襯砌強(qiáng)度與厚度,滿足一定安全系數(shù)的混凝土襯砌—圍巖的系統(tǒng)平衡總能獲得,當(dāng)前并無指定的、廣泛接受的以及滿足某種要求的混凝土襯砌—圍巖的系統(tǒng)平衡狀態(tài),作為深豎井井筒圍巖混凝土襯砌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)驗(yàn)法仍是深井井筒圍巖混凝土襯砌的主要設(shè)計(jì)方法。在南非,對(duì)于任意巖體質(zhì)量與深度的井筒圍巖,230～300 mm厚C30素混凝土襯砌可完全滿足深豎井井筒圍巖混凝土襯砌設(shè)計(jì)要求[17],至少500 mm厚混凝土襯砌在諸多民用隧道等工程襯砌設(shè)計(jì)中被推廣應(yīng)用[18]。綜合上述混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法,本研究將思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖混凝土襯砌更改為素混凝土襯砌,其他設(shè)計(jì)參數(shù)與原設(shè)計(jì)保持一致,即井筒424.1 m以淺襯砌混凝土強(qiáng)度為C30,424.1 m以深襯砌混凝土強(qiáng)度為C40,襯砌厚度均為600 mm。

4.2.3 支護(hù)時(shí)機(jī)

根據(jù)NATM與NMT法相關(guān)要求,井筒開挖后,須立即噴射50 mm厚混泥土(至少為C25)封閉井筒圍巖,防止井筒圍巖松散破壞,維持其自穩(wěn)能力。井筒圍巖封閉后,及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴初次支護(hù),既能充分調(diào)動(dòng)與發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力,調(diào)整井筒圍巖內(nèi)部壓力,又能保證施工期間人員與設(shè)備安全。及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)要求錨桿具備足夠的變形能力,防止錨桿隨著井筒圍巖變形過大而失效,影響豎井施工期間井筒圍巖穩(wěn)定性。對(duì)于混凝土襯砌永久支護(hù),混凝土襯砌過早,無法充分發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力,致使井筒圍巖壓力過大,出現(xiàn)井壁破壞與井筒失穩(wěn);混凝土襯砌過晚,井筒圍巖變形破壞并產(chǎn)生較大破壞區(qū),破壞區(qū)井筒圍巖因喪失其固有強(qiáng)度而失去穩(wěn)定,此時(shí)井筒圍巖壓力急劇上升,混凝土襯砌仍無法有效控制井筒圍巖穩(wěn)定性,即合理選擇混凝土襯砌時(shí)機(jī),是有效進(jìn)行深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。

不考慮井筒圍巖力學(xué)響應(yīng)時(shí)間效應(yīng),收斂約束法是確定井筒圍巖混凝土襯砌時(shí)機(jī)的主要方法,包括圍巖響應(yīng)曲線(GRC)、縱剖面變形曲線(LDP)以及支護(hù)特性曲線(SCC)三部分,通過豎井開挖井筒圍巖—支護(hù)相互作用分析,掌握井筒圍巖及其支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)力位移變化規(guī)律,進(jìn)而給出合理的支護(hù)時(shí)機(jī)與支護(hù)力設(shè)計(jì)值[19-23]。

對(duì)于思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖,混凝土襯砌參數(shù)主要包括600 mm厚C30混凝土襯砌與600 mm厚C40混凝土襯砌,混凝土襯砌安全系數(shù)為2.5[18]。此外,假設(shè)豎井不同基巖層原巖應(yīng)力為遠(yuǎn)場(chǎng)靜水壓力,大小為相應(yīng)巖層深度水平的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的平均值,各巖層巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。結(jié)合文獻(xiàn)[22-23]中收斂約束曲線建立方法,繪制了思山嶺鐵礦副井不同基巖層的井筒圍巖收斂約束曲線,并進(jìn)行了井筒圍巖—混凝土襯砌收斂約束分析。以千枚巖巖層為例,思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖—混凝土襯砌收斂約束分析的一般過程如圖1所示,各副井基巖層的收斂約束分析結(jié)果見表5。

圖1 千枚巖巖層井筒圍巖—支護(hù)收斂約束分析Fig.1 Convergence-confinement analysis of rock-support in phyllite formation

表5 井筒圍巖—混凝土襯砌收斂約束分析結(jié)果Table 5 Convergence-confinement analysis results of shaft surrounding rock-concrete lining

由表5可知:4 m無混凝土襯砌高度可完全滿足井筒圍巖壓力調(diào)整空間要求,但在4m豎井掘進(jìn)與初次支護(hù)時(shí)間內(nèi)井筒圍巖襯砌前收斂量一般無法滿足。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),井筒圍巖無混凝土襯砌高度需調(diào)整至2～3倍的井筒直徑[24],該范圍豎井掘進(jìn)與初次支護(hù)用時(shí)往往可滿足襯砌前井筒圍巖的最小位移收斂要求,此方案設(shè)計(jì)為20 m,為5個(gè)井筒掘進(jìn)循環(huán)周期(5～10 d)。

5 井筒圍巖支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值分析

思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)是在水平原巖應(yīng)力為靜水壓力的假設(shè)下進(jìn)行的,同時(shí),對(duì)于經(jīng)驗(yàn)法所得井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案是否適用于該礦副井工程尚不確定。因此,有必要通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀察與監(jiān)測(cè)等手段對(duì)所得井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究通過Phase 2數(shù)值模擬對(duì)該礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性驗(yàn)證。構(gòu)建的相應(yīng)副井二維平面應(yīng)變模型如圖2所示,模型長與寬均為80m,井筒開挖半徑為5.6m;模型采用三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格,單元數(shù)量為2 766,模型邊界限制X與Y方向位移;模型初始應(yīng)力條件為符合前文第1節(jié)給出的非對(duì)稱應(yīng)力條件,模型巖體參數(shù)取值見表2,襯砌前位移收斂見表5。

圖2 思山嶺鐵礦副井二維平面應(yīng)變模型Fig.2 Two-dimensional plane strain model of service shaft in Sishanling Iron Mine

思山嶺鐵礦副井千枚巖巖層井筒圍巖塑性區(qū)分布與錨桿軸力分布模擬結(jié)果如圖3所示,其余巖層錨桿軸力與井筒圍巖塑性區(qū)范圍模擬結(jié)果見表6。

圖3 千枚巖巖層井筒圍巖塑性區(qū)與錨桿軸力分布Fig.3 Distribution of the plastic zone of shaft surrounding rock and axial force of rock bolt in phyllite stratum

表6 副井不同基巖層錨桿軸力與塑性區(qū)范圍Table 6 Plastic zone and axial force of rock bolt in different bedrock strata of the auxiliary shaft

由表6可知:Lb=3 m錨桿可完全穿過塑性區(qū)錨固于井筒圍巖穩(wěn)固區(qū)域,同時(shí)設(shè)計(jì)錨桿于不同巖層產(chǎn)生的最大、最小軸力均小于錨桿屈服強(qiáng)度300 MPa(錨桿鋼型為HRB300),由此驗(yàn)證了錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的安全性與合理性。

結(jié)合表5、表6分析可知:20 m無混凝土襯砌高度及其掘支用時(shí)處于該礦副井不同基巖層的井筒圍巖最小無支護(hù)自穩(wěn)高度及相應(yīng)的自穩(wěn)時(shí)間范圍內(nèi),該高度的選擇進(jìn)一步保證了豎井掘支期間無混凝土襯砌范圍內(nèi)井筒圍巖的整體穩(wěn)定。

思山嶺鐵礦副井千枚巖巖層關(guān)于襯砌軸力、剪切力與扭矩的安全系數(shù)等值線如圖4所示。

圖4 千枚巖巖層混凝土襯砌軸力、剪切力與扭矩的安全系數(shù)等值線Fig.4 Contour of safety factor with respect to thrust,shear force and moment of concrete lining in phyllite stratum

由圖4可知:思山嶺鐵礦副井千枚巖巖層混凝土襯砌不同位置軸力、剪切力與彎矩的安全系數(shù),均位于安全系數(shù)為2.5的等值線范圍內(nèi)。由此得出,600 mm厚C30混凝土襯砌設(shè)計(jì)及其支護(hù)時(shí)機(jī)選擇可完全滿足千枚巖巖層井筒圍巖混凝土襯砌設(shè)計(jì)要求。同樣通過模擬可知,本研究給出的思山嶺鐵礦副井不同基巖層的混凝土襯砌設(shè)計(jì)方案均達(dá)到了“不同載荷類型安全系數(shù)大于2.5”的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

本研究以思山嶺鐵礦1 500 m副井為例,進(jìn)行了深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性分析與控制方法研究,所得結(jié)論如下:

(1)基于RMR的巖體穩(wěn)定性圖表給出該礦副井基巖段井筒圍巖最小無支護(hù)自穩(wěn)跨度為22 m,對(duì)應(yīng)的自穩(wěn)時(shí)間為125 d,可滿足豎井掘進(jìn)進(jìn)尺4 m以及無混凝土襯砌高度20 m的井筒圍巖穩(wěn)定性要求。

(2)傳統(tǒng)淺埋豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論與方法已不完全適用于深豎井建設(shè),基于NATM與NMT法,提出了強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力的深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制理論,建立了通過錨網(wǎng)噴支護(hù)維持與發(fā)揮井筒圍巖自穩(wěn)能力、混凝土襯砌永久支護(hù)保證豎井井筒及其圍巖長期穩(wěn)定的深豎井井筒圍巖穩(wěn)定性控制方法。

(3)通過思山嶺鐵礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì),分析了深豎井井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的基本流程,給出了該礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案,即在井筒開挖后首先噴射50 mm厚C25混凝土封閉井筒圍巖,其次進(jìn)行Lb×Sb=3.0 m×1.5 m錨桿(鋼型HRB300、直徑 22 mm)與金屬網(wǎng)安裝;對(duì)于混凝土襯砌設(shè)計(jì),井筒深度424.1 m以淺襯砌混凝土強(qiáng)度為C30,井筒深度424.1 m以深支護(hù)混凝土強(qiáng)度為C40,支護(hù)厚度均為600 mm,最大無混凝土襯砌高度為20 m。

(4)通過Phase 2數(shù)值模擬對(duì)該礦副井基巖段井筒圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證,該礦副井基巖段錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)均可保證錨桿的錨固端位于井筒圍巖穩(wěn)固區(qū)域,且錨桿軸力均小于錨桿屈服強(qiáng)度。通過襯砌斷面不同位置的軸力、剪切力與彎矩對(duì)混凝土襯砌設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了安全性驗(yàn)證,反映出不同基巖段井筒圍巖混凝土襯砌不同載荷類型的安全系數(shù)均大于2.5,可以滿足深豎井井筒圍巖混凝土襯砌設(shè)計(jì)要求。