圍巖變形機(jī)理及控制技術(shù)與應(yīng)用

丁永紅

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 常村煤礦,山西 長(zhǎng)治 046102)

當(dāng)前礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)面臨著淺部資源枯竭、開(kāi)采成本增加、環(huán)保嚴(yán)格化等挑戰(zhàn),礦產(chǎn)資源開(kāi)采正在從淺部轉(zhuǎn)向深部,豎井井簡(jiǎn)作為地面與地下聯(lián)系的“橋梁”,井筒掘砌深度亦越來(lái)越大。在我國(guó),目前煤礦豎井深度超過(guò)1 000 m的井簡(jiǎn)有 55個(gè),非煤礦山在建和擬建井簡(jiǎn)深度超過(guò)1 000的豎井達(dá)到45個(gè)。其中煤礦最深井是磁西煤礦副井,簡(jiǎn)深度為1 341.6 m.對(duì)于金屬及有色煤礦山而言,豎井建設(shè)深度則不斷被刷新。云南會(huì)澤鉛鋅礦豎井井簡(jiǎn)深度達(dá)到1 500 m,新城金礦新簡(jiǎn)深度為1 521 m,某礦主井井簡(jiǎn)深度為1 558.1 m,三山島金礦副井設(shè)計(jì)深度為2 000.3 m.在世界上,不同國(guó)家對(duì)深部資源開(kāi)采的深度界定范圍不同,比如日本將開(kāi)采深度超600 m的礦井定為深井,英國(guó)、波蘭認(rèn)為深井的界限是超 750 m,在南非加拿大、德國(guó)等國(guó)家中,800～1 000 m的開(kāi)采深度被稱(chēng)為深井,其中德國(guó)將開(kāi)采深度超過(guò)1 200 m的礦被稱(chēng)為超深井:我國(guó)礦山專(zhuān)家認(rèn)為,煤礦深度超過(guò)800 m,非煤礦山深度超1 000 m即可被稱(chēng)為深豎井[1-2]。

深部高地應(yīng)力環(huán)境所導(dǎo)致的破壞性地壓活動(dòng)(巖爆、冒頂、片幫等)是深豎井開(kāi)采面臨的重要難題,高地溫使巖體力學(xué)、變形性質(zhì)發(fā)生改變,同時(shí)高地溫環(huán)境下,工人工作效率也會(huì)隨之降低,開(kāi)采成本增加。在“三高一擾動(dòng)”環(huán)境影響下,深部巖體物理力學(xué)性能與淺部相比表現(xiàn)出很大差異,隨著開(kāi)采深度的增加,工程圍巖的變形、破壞方式也發(fā)生了一系列變化,呈現(xiàn)出破壞方式由脆性向延性轉(zhuǎn)變的特征,與淺部巖體相比有很大不同,沿用淺部方法分析其穩(wěn)定性將不再適用,揭示深部圍巖變形規(guī)律已成為深部資源開(kāi)采亟待解決的問(wèn)題[3-4]。

通過(guò)了解圍巖的變形規(guī)律,可以更好地預(yù)測(cè)和預(yù)防頂板冒落、煤壁片幫等事故的發(fā)生,從而保障工人的生命安全。有助于優(yōu)化采礦方法,提高資源開(kāi)采效率。通過(guò)對(duì)圍巖變形規(guī)律的深入研究,可以合理控制采高、選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式等,從而減少資源浪費(fèi)和生產(chǎn)中斷,提高煤礦的生產(chǎn)效率。揭示深部圍巖變形規(guī)律對(duì)于提高煤礦安全生產(chǎn)水平、優(yōu)化資源開(kāi)采效率和創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益都具有重要的意義[5]。

1 深部高地應(yīng)力條件下破碎圍巖變形控制技術(shù)

控制圍巖變形可以采取錨桿、錨索、錨網(wǎng)噴等主動(dòng)支護(hù)方式,也可以直接澆筑混凝土井壁以抵抗圍巖變形,混凝土井壁作為支撐結(jié)構(gòu)屬于被動(dòng)支護(hù)。為更好的控制圍巖變形,往往采取主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方式。

1.1 深部高地應(yīng)條件下圍巖壓力與圍巖變形之間關(guān)系

不同完整圍巖變形特征存在差異,在高地應(yīng)力條件下即使是巖石強(qiáng)度高的硬巖由于破碎程度不一樣,其變形差異性也會(huì)很大,深部高地應(yīng)力條件下完整圍巖、破碎圍巖壓力與變形關(guān)系曲線如圖1所示,圖1中曲線表示完整巖壓與圍巖變形之間的關(guān)系,曲線2表示破碎圍巖壓力與圍巖變形之間的關(guān)系。

圖1 破碎圍巖壓力與變形關(guān)系曲線

如果以變形控制為原則,在支護(hù)結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到u2時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)抗力和圍巖壓力達(dá)到平衡,此時(shí)完整圍巖壓力為p1,破圍巖壓力為p3,破碎巖力大完整巖壓力。如果以壓力控制為原則,即在井筒支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要求支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支擴(kuò)抗力為p2,此時(shí)完整圍巖的位移為u1,破碎圍巖的位移為u3,破碎圍巖位移與完整圍巖位移相比會(huì)大很多。深部高地應(yīng)力條件下,在開(kāi)挖初期對(duì)于完整圍巖而言,當(dāng)完整圍巖位移增大時(shí),完整圍巖壓力將會(huì)降低很多;對(duì)破碎圍巖而言隨著位移增大,圍巖壓力釋放并不是很顯著。因此在井筒開(kāi)挖后,完整圍巖可以采取適當(dāng)讓壓的支護(hù)方式,由于破碎圍巖壓力釋放小,破碎圍巖壓力仍然維持在較高值,因此應(yīng)該盡早對(duì)破碎圍巖進(jìn)行支護(hù)以抵抗圍巖變形。

深部高地應(yīng)力條件下完整、破碎地層組合時(shí),不同完整性圍巖變形具有不協(xié)調(diào)性、不連續(xù)性特征,組合地層圍巖變形不協(xié)調(diào)性、不連續(xù)性會(huì)影響井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,此時(shí)對(duì)圍巖控制時(shí)一方面要釋放圍巖壓力,另一方面要調(diào)整圍巖變形,可以采取主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方式,既控制圍巖變形又釋放圍巖壓力,讓支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖協(xié)調(diào)變形。

1.2 錨桿支護(hù)

高地應(yīng)力條件下豎井破碎圍巖具有圍巖松動(dòng)早,圍巖變形具有不協(xié)調(diào)性、不連續(xù)性特征,破碎圍巖變形值大:其水平變形和豎向變形特征存在差異,同一水平不同位置圍巖變形不同。針對(duì)高地應(yīng)力條件下豎井破碎圍巖這些特點(diǎn),應(yīng)及時(shí)支護(hù)以發(fā)揮圍巖的自身承載力[6]。

錨桿支護(hù)作為一種重要的主動(dòng)支護(hù)方式,能夠與圍巖協(xié)同變形,充分利用圍巖的自身承載力以抵抗圍巖變形,已經(jīng)在地下工程支護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用。錨桿支護(hù)既可以做臨時(shí)支護(hù),還能與其他結(jié)構(gòu)形式組成復(fù)合支護(hù)。

錨桿支護(hù)力學(xué)機(jī)理主要表現(xiàn)為錨桿施作后能提高錨固區(qū)圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角,從而提高錨固區(qū)的圍巖承載力。破碎巖體開(kāi)挖后,錨桿在提高錨固區(qū)粘聚力和內(nèi)摩擦角的基礎(chǔ)上,還能夠限制破碎巖石的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),因此錯(cuò)桿對(duì)破碎巖體的加固作用更加明顯[7]。

1.3 深破碎巖支護(hù)設(shè)計(jì)

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)可以通過(guò)工程類(lèi)比,理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、圍巖松動(dòng)圈理論等。深部高應(yīng)力條件下豎井井簡(jiǎn)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整釋放,圍巖應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)形成圍巖松動(dòng)圈,圍巖松動(dòng)圈理論認(rèn)為松動(dòng)圈厚度是原巖應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、巷道跨度和支護(hù)阻力的函數(shù),圍巖松動(dòng)圈厚度確定后便可以進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)[8]。

豎井開(kāi)挖后施作錨桿,錨桿通過(guò)受拉限制圍巖變形,會(huì)在井幫上產(chǎn)生支護(hù)附加阻力p,假設(shè)錨桿兩端作用集中力,集中力分布在錨固區(qū)內(nèi)外兩端,則錨桿內(nèi)端分布力可以表示為Pi(r0/rm)(r0為錨桿加固圈內(nèi)半徑,rm為錨桿加固圈外半徑)。

2 支護(hù)方案優(yōu)化

控制破碎圍巖變形可以采取錨桿、錨索、錨網(wǎng)噴等主動(dòng)支護(hù)方式,也可以直接澆筑混凝土井壁以抵抗圍巖變形。某礦主井-1 400～-1 500 m圍巖破碎,主要裂隙有二組,兩組裂隙的傾角分別為 355、65～ 75圍巖呈碎裂結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,圍巖質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)[9]。破碎圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)為初期支護(hù)采用“錨桿+錨網(wǎng)+噴射混凝”支護(hù),其中桿長(zhǎng)2.2 m,網(wǎng)間距為1 m×1 m,桿直徑20 m,射凝0.05 ,凝強(qiáng)度C20,二次支護(hù)采用鋼筋混凝土支護(hù),支護(hù)厚度0.4 m,混凝強(qiáng)度為C50.對(duì)于初期支護(hù),錨桿長(zhǎng)度、錨網(wǎng)間距及噴射混凝土厚度都會(huì)對(duì)圍巖與支護(hù)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響,某礦錨桿型號(hào)固定,因此只需要確定錨桿長(zhǎng)度、錨網(wǎng)間距及噴射混凝土厚度三個(gè)因素,采用正交試驗(yàn)確定“錨桿+錨網(wǎng)+凝土”支護(hù)組合方案,“錨桿+錨網(wǎng)+混凝”支護(hù)水平表如表所示錨網(wǎng)噴支護(hù)正交設(shè)計(jì),如表1所示。

表1 錨網(wǎng)噴支護(hù)正交設(shè)計(jì)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

某礦主井箕斗碉室設(shè)計(jì)深度為-1 465 m,分為上室、下室。上室開(kāi)口為膠帶室,下室為計(jì)量室。膠帶室高5.767 m,寬6.8 m,長(zhǎng)度為8.92 m.計(jì)量響室高12.82 m,寬6.8 m,深度為3.926 m.主井箕斗碉室開(kāi)挖后圍巖十分破碎,巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,主要裂隙有二組,傾角分別為35°～45°、65～ 75”,圍巖呈碎裂結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,圍巖質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)。主井箕斗酮室初期支護(hù)采用“錨桿+錨網(wǎng)+噴射混凝”支護(hù),二次支護(hù)采用混凝支護(hù),初期支護(hù)長(zhǎng) 2 m,網(wǎng)間為15 m×1.5 m,噴射和混凝厚度15 cm.二次支護(hù)采用C50凝支護(hù),支護(hù)厚度400 mm.

隨著井筒的開(kāi)挖,地殼中的原巖應(yīng)力平衡被破壞,圍巖應(yīng)力重新分布,如果應(yīng)力重分布后的巖體達(dá)到塑性狀態(tài),圍巖將會(huì)產(chǎn)生塑性破壞,地壓隨之產(chǎn)生。王渭明等對(duì)煤礦立井地壓進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),得到了立井地壓隨深度的變化趨勢(shì)、圍巖傾角對(duì)地壓分布的影響、立井地壓與井壁結(jié)構(gòu)的關(guān)系等[10]。郭力對(duì)深厚表土層中立井井壁水平側(cè)壓力的不均勻性進(jìn)行了研究,得到了深厚表土層中井壁不均勻水平地壓的計(jì)算方法。同時(shí),根據(jù)地壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析圍巖的穩(wěn)定性,為井壁支護(hù)提供依據(jù),指導(dǎo)井壁設(shè)計(jì)和安全施工。與表土段井筒破壞原因不同的是基巖段井筒破裂的主要原因在于水平地壓力[11-13]。

地壓分為廣義地壓和狹義地壓。廣義地壓一般是指原巖對(duì)圍巖的作用力,狹義地壓是指圍巖作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。本文所研究的是圍巖對(duì)井壁的壓力,即狹義地壓。井下環(huán)境惡劣,面對(duì)高溫、井壁淋水、化學(xué)腐蝕等復(fù)雜的監(jiān)測(cè)條件,一般監(jiān)測(cè)儀器在埋入后出現(xiàn)故障,無(wú)法正常使用,難以滿(mǎn)足長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)要求。深豎井建設(shè)周期長(zhǎng),服役時(shí)間久,因此對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的可靠性提出更高的要求。本次監(jiān)測(cè)首次采用了改進(jìn)的新型監(jiān)測(cè)儀器—測(cè)力錨桿。測(cè)力錯(cuò)桿如圖2所示。

圖2 測(cè)力錨桿示意(單位:mm)

測(cè)力錨桿主要由保護(hù)管內(nèi)的鋼筋計(jì)、鋼筋、擋板3部分組成。整個(gè)測(cè)力錨桿長(zhǎng)900 mm,鋼筋計(jì)兩端連接鋼筋,在混凝井壁澆筑前,先用鉆機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)打孔,然后將環(huán)氧樹(shù)脂錨固劑塞入鉆孔內(nèi),再將測(cè)力錨桿插入,深入圍巖的鋼筋計(jì)被環(huán)氧樹(shù)脂固定在井幫,確保了在井壁混凝土澆筑時(shí)測(cè)力錨桿不會(huì)發(fā)生偏移[14-15]。由于混凝土澆筑時(shí)要持續(xù)振搗,為了避免鋼筋計(jì)受振搗干擾,在鋼筋計(jì)外端套PPR管進(jìn)行保護(hù),并在其兩端做密封處理,確保了鋼筋計(jì)的可靠性。監(jiān)測(cè)方案實(shí)施前,要對(duì)監(jiān)測(cè)層位或監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選擇。對(duì)于監(jiān)測(cè)層位的選擇,一般根據(jù)井簡(jiǎn)的地層條件,及井壁設(shè)計(jì)參數(shù),選擇斷層穿越的結(jié)構(gòu)層位,圍巖破碎帶層位,圍巖應(yīng)力異常區(qū)域,馬頭門(mén)及裝載碉室地層及含水層區(qū)域等。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇,既要保證監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)全面,還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工需要,測(cè)點(diǎn)選擇應(yīng)避開(kāi)罐道梁的安裝位置。某礦主井-1 464 m井壁處布置五個(gè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝一個(gè)測(cè)力錨桿,克服高溫、井壁淋水、化學(xué)腐蝕等深豎井復(fù)雜惡劣的監(jiān)測(cè)條件,在-1 464 m井壁五個(gè)測(cè)點(diǎn)處采集數(shù)據(jù) 38 d[16-17].

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞“煤礦深豎井破碎圍巖變形機(jī)理及其控制技術(shù)與應(yīng)用”這一課題,采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等研究手段,在深部地層“多場(chǎng)”測(cè)量的基礎(chǔ)上,對(duì)深豎井工程圍巖進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià):在深豎井破碎圍巖變形機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,研究了不同完整性圍巖變形規(guī)律,最后提出了破碎圍巖控制技術(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。論文的主要結(jié)論如下:

1) 某礦建井程區(qū)最大水平主應(yīng)力值為24.14～4 556 MPa,最小水平主應(yīng)力值為18.85～37.51 MPa,某礦-1 000 m以深強(qiáng)度應(yīng)力比小于3,深部地層地應(yīng)力為高地應(yīng)力。某礦建井工程區(qū)地溫(T)與深度(D)早線性關(guān)系,建工程區(qū)每百米度升高232 ℃修正的BO 分級(jí)得到的某礦四條豎井圍巖分級(jí)與實(shí)際圍巖分級(jí)結(jié)果更接近,提高了圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性,對(duì)濱海地區(qū)深豎井圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí),需要考慮溫度因素對(duì)圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)的影響。

2) 花崗巖碎石壓實(shí)過(guò)程中壓力與變形關(guān)系為指數(shù)函數(shù)?；◢弾r碎石顆粒壓實(shí)過(guò)程中,碎石形狀、粒徑大小影響花崗巖壓實(shí)壓力-變形關(guān)系。由碎脹系數(shù)變化規(guī)律可以將碎石壓實(shí)過(guò)程分為體積壓縮、碎石壓實(shí)、碎石碎脹三個(gè)階段,碎脹系數(shù)與壓力關(guān)系為負(fù)指數(shù)函數(shù)。

3) 深部高地應(yīng)力條件不同完整性圍巖變形具有不協(xié)調(diào)性、不連續(xù)性特征,完整地層位移小,破碎地層位移大;完整性相同的圍巖其水平變形和堅(jiān)向變形特征也存在差異。圍巖強(qiáng)度高、完整性好的圍巖,井簡(jiǎn)開(kāi)挖后,井幫處圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯:圍巖強(qiáng)度低、巖體完整性差的級(jí)圍巖,井簡(jiǎn)開(kāi)挖后圍巖塑性變形大。

4) 采取錨桿、錨網(wǎng)噴等主動(dòng)支護(hù),并結(jié)合直接澆筑混凝井壁的支護(hù)方式能有效控制深豎井破碎圍巖變形。注漿可以改善破碎圍巖完整性,提高圍巖整體強(qiáng)度,從而控制破碎圍巖變形。