圍巖變形機理及控制技術與應用

丁永紅

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046102)

當前礦產資源開發面臨著淺部資源枯竭、開采成本增加、環保嚴格化等挑戰,礦產資源開采正在從淺部轉向深部,豎井井簡作為地面與地下聯系的“橋梁”,井筒掘砌深度亦越來越大。在我國,目前煤礦豎井深度超過1 000 m的井簡有 55個,非煤礦山在建和擬建井簡深度超過1 000的豎井達到45個。其中煤礦最深井是磁西煤礦副井,簡深度為1 341.6 m.對于金屬及有色煤礦山而言,豎井建設深度則不斷被刷新。云南會澤鉛鋅礦豎井井簡深度達到1 500 m,新城金礦新簡深度為1 521 m,某礦主井井簡深度為1 558.1 m,三山島金礦副井設計深度為2 000.3 m.在世界上,不同國家對深部資源開采的深度界定范圍不同,比如日本將開采深度超600 m的礦井定為深井,英國、波蘭認為深井的界限是超 750 m,在南非加拿大、德國等國家中,800～1 000 m的開采深度被稱為深井,其中德國將開采深度超過1 200 m的礦被稱為超深井:我國礦山專家認為,煤礦深度超過800 m,非煤礦山深度超1 000 m即可被稱為深豎井[1-2]。

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

通過了解圍巖的變形規律,可以更好地預測和預防頂板冒落、煤壁片幫等事故的發生,從而保障工人的生命安全。有助于優化采礦方法,提高資源開采效率。通過對圍巖變形規律的深入研究,可以合理控制采高、選擇適當的支護方式等,從而減少資源浪費和生產中斷,提高煤礦的生產效率。揭示深部圍巖變形規律對于提高煤礦安全生產水平、優化資源開采效率和創造經濟與社會效益都具有重要的意義[5]。

1 深部高地應力條件下破碎圍巖變形控制技術

控制圍巖變形可以采取錨桿、錨索、錨網噴等主動支護方式,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構屬于被動支護。為更好的控制圍巖變形,往往采取主動支護與被動支護相結合的支護方式。

1.1 深部高地應條件下圍巖壓力與圍巖變形之間關系

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

圖1 破碎圍巖壓力與變形關系曲線

如果以變形控制為原則,在支護結構位移值達到u2時,支護結構提供的支護抗力和圍巖壓力達到平衡,此時完整圍巖壓力為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,即在井筒支護設計時要求支護結構提供的支擴抗力為p2,此時完整圍巖的位移為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大很多。深部高地應力條件下,在開挖初期對于完整圍巖而言,當完整圍巖位移增大時,完整圍巖壓力將會降低很多;對破碎圍巖而言隨著位移增大,圍巖壓力釋放并不是很顯著。因此在井筒開挖后,完整圍巖可以采取適當讓壓的支護方式,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,因此應該盡早對破碎圍巖進行支護以抵抗圍巖變形。

深部高地應力條件下完整、破碎地層組合時,不同完整性圍巖變形具有不協調性、不連續性特征,組合地層圍巖變形不協調性、不連續性會影響井壁結構穩定性,此時對圍巖控制時一方面要釋放圍巖壓力,另一方面要調整圍巖變形,可以采取主動支護與被動支護相結合的支護方式,既控制圍巖變形又釋放圍巖壓力,讓支護結構與圍巖協調變形。

1.2 錨桿支護

高地應力條件下豎井破碎圍巖具有圍巖松動早,圍巖變形具有不協調性、不連續性特征,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。針對高地應力條件下豎井破碎圍巖這些特點,應及時支護以發揮圍巖的自身承載力[6]。

錨桿支護作為一種重要的主動支護方式,能夠與圍巖協同變形,充分利用圍巖的自身承載力以抵抗圍巖變形,已經在地下工程支護中得到廣泛的應用。錨桿支護既可以做臨時支護,還能與其他結構形式組成復合支護。

錨桿支護力學機理主要表現為錨桿施作后能提高錨固區圍巖的粘聚力和內摩擦角,從而提高錨固區的圍巖承載力。破碎巖體開挖后,錨桿在提高錨固區粘聚力和內摩擦角的基礎上,還能夠限制破碎巖石的滑動和轉動,因此錯桿對破碎巖體的加固作用更加明顯[7]。

1.3 深破碎巖支護設計

錨桿支護設計可以通過工程類比,理論計算、數值模擬等方法。錨桿支護設計理論計算方法主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、圍巖松動圈理論等。深部高應力條件下豎井井簡開挖后圍巖應力調整釋放,圍巖應力超過巖石強度而產生塑性區。在塑性區內形成圍巖松動圈,圍巖松動圈理論認為松動圈厚度是原巖應力、巖體強度、巷道跨度和支護阻力的函數,圍巖松動圈厚度確定后便可以進行錨桿支護設計[8]。

豎井開挖后施作錨桿,錨桿通過受拉限制圍巖變形,會在井幫上產生支護附加阻力p,假設錨桿兩端作用集中力,集中力分布在錨固區內外兩端,則錨桿內端分布力可以表示為Pi(r0/rm)(r0為錨桿加固圈內半徑,rm為錨桿加固圈外半徑)。

2 支護方案優化

控制破碎圍巖變形可以采取錨桿、錨索、錨網噴等主動支護方式,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圍巖呈碎裂結構,塊狀構造,圍巖質量等級為IV級[9]。破碎圍巖支護設計為初期支護采用“錨桿+錨網+噴射混凝”支護,其中桿長2.2 m,網間距為1 m×1 m,桿直徑20 m,射凝0.05 ,凝強度C20,二次支護采用鋼筋混凝土支護,支護厚度0.4 m,混凝強度為C50.對于初期支護,錨桿長度、錨網間距及噴射混凝土厚度都會對圍巖與支護強度產生重要影響,某礦錨桿型號固定,因此只需要確定錨桿長度、錨網間距及噴射混凝土厚度三個因素,采用正交試驗確定“錨桿+錨網+凝土”支護組合方案,“錨桿+錨網+混凝”支護水平表如表所示錨網噴支護正交設計,如表1所示。

表1 錨網噴支護正交設計

3 現場監測

某礦主井箕斗碉室設計深度為-1 465 m,分為上室、下室。上室開口為膠帶室,下室為計量室。膠帶室高5.767 m,寬6.8 m,長度為8.92 m.計量響室高12.82 m,寬6.8 m,深度為3.926 m.主井箕斗碉室開挖后圍巖十分破碎,巖石節理裂隙發育,主要裂隙有二組,傾角分別為35°～45°、65～ 75”,圍巖呈碎裂結構,塊狀構造,圍巖質量等級為IV級。主井箕斗酮室初期支護采用“錨桿+錨網+噴射混凝”支護,二次支護采用混凝支護,初期支護長 2 m,網間為15 m×1.5 m,噴射和混凝厚度15 cm.二次支護采用C50凝支護,支護厚度400 mm.

隨著井筒的開挖,地殼中的原巖應力平衡被破壞,圍巖應力重新分布,如果應力重分布后的巖體達到塑性狀態,圍巖將會產生塑性破壞,地壓隨之產生。王渭明等對煤礦立井地壓進行了長期監測,得到了立井地壓隨深度的變化趨勢、圍巖傾角對地壓分布的影響、立井地壓與井壁結構的關系等[10]。郭力對深厚表土層中立井井壁水平側壓力的不均勻性進行了研究,得到了深厚表土層中井壁不均勻水平地壓的計算方法。同時,根據地壓的監測結果,分析圍巖的穩定性,為井壁支護提供依據,指導井壁設計和安全施工。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圍巖的作用力,狹義地壓是指圍巖作用于支護結構的壓力。本文所研究的是圍巖對井壁的壓力,即狹義地壓。井下環境惡劣,面對高溫、井壁淋水、化學腐蝕等復雜的監測條件,一般監測儀器在埋入后出現故障,無法正常使用,難以滿足長周期監測要求。深豎井建設周期長,服役時間久,因此對監測儀器的可靠性提出更高的要求。本次監測首次采用了改進的新型監測儀器—測力錨桿。測力錯桿如圖2所示。

圖2 測力錨桿示意(單位:mm)

測力錨桿主要由保護管內的鋼筋計、鋼筋、擋板3部分組成。整個測力錨桿長900 mm,鋼筋計兩端連接鋼筋,在混凝井壁澆筑前,先用鉆機在監測點打孔,然后將環氧樹脂錨固劑塞入鉆孔內,再將測力錨桿插入,深入圍巖的鋼筋計被環氧樹脂固定在井幫,確保了在井壁混凝土澆筑時測力錨桿不會發生偏移[14-15]。由于混凝土澆筑時要持續振搗,為了避免鋼筋計受振搗干擾,在鋼筋計外端套PPR管進行保護,并在其兩端做密封處理,確保了鋼筋計的可靠性。監測方案實施前,要對監測層位或監測點進行選擇。對于監測層位的選擇,一般根據井簡的地層條件,及井壁設計參數,選擇斷層穿越的結構層位,圍巖破碎帶層位,圍巖應力異常區域,馬頭門及裝載碉室地層及含水層區域等。對于監測點的選擇,既要保證監測斷面數據全面,還要結合現場施工需要,測點選擇應避開罐道梁的安裝位置。某礦主井-1 464 m井壁處布置五個測點,監測點布置如圖3所示。每個測點安裝一個測力錨桿,克服高溫、井壁淋水、化學腐蝕等深豎井復雜惡劣的監測條件,在-1 464 m井壁五個測點處采集數據 38 d[16-17].

圖3 監測點布置圖

4 結 語

本文圍繞“煤礦深豎井破碎圍巖變形機理及其控制技術與應用”這一課題,采用室內試驗、現場監測、數值模擬等研究手段,在深部地層“多場”測量的基礎上,對深豎井工程圍巖進行了分區評價:在深豎井破碎圍巖變形機理分析的基礎上,研究了不同完整性圍巖變形規律,最后提出了破碎圍巖控制技術并進行了現場應用。論文的主要結論如下:

1) 某礦建井程區最大水平主應力值為24.14～4 556 MPa,最小水平主應力值為18.85～37.51 MPa,某礦-1 000 m以深強度應力比小于3,深部地層地應力為高地應力。某礦建井工程區地溫(T)與深度(D)早線性關系,建工程區每百米度升高232 ℃修正的BO 分級得到的某礦四條豎井圍巖分級與實際圍巖分級結果更接近,提高了圍巖分級的準確性,對濱海地區深豎井圍巖質量評價時,需要考慮溫度因素對圍巖分級評價的影響。

2) 花崗巖碎石壓實過程中壓力與變形關系為指數函數?；◢弾r碎石顆粒壓實過程中,碎石形狀、粒徑大小影響花崗巖壓實壓力-變形關系。由碎脹系數變化規律可以將碎石壓實過程分為體積壓縮、碎石壓實、碎石碎脹三個階段,碎脹系數與壓力關系為負指數函數。

3) 深部高地應力條件不同完整性圍巖變形具有不協調性、不連續性特征,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向變形特征也存在差異。圍巖強度高、完整性好的圍巖,井簡開挖后,井幫處圍巖應力集中現象明顯:圍巖強度低、巖體完整性差的級圍巖,井簡開挖后圍巖塑性變形大。

4) 采取錨桿、錨網噴等主動支護,并結合直接澆筑混凝井壁的支護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,提高圍巖整體強度,從而控制破碎圍巖變形。