不良地层竖井工程变形分析与返修支护设计.pdf

第6 3 卷第2 期 2 Ol1 年5 月 有色金属 N o n f e r m u sM e t a l s V 0 1 ．6 3 ．N o ．2 M 8 y2 Ol l D o I l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞l 一0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 5 9 不良地层竖井工程变形分析与返修支护设计 王贤来1 一，姚维信2 一，高谦3 ，陈得信4 1 ．中南大学，长沙4 10 0 8 3 ；2 ．昆明理工大学，昆明6 5 0 0 9 3 ； 3 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ；4 ．金川集团有限公司，甘肃金昌7 3 7 1O O 摘 要根据某矿山不良围岩的主井工程变形破坏特征．分析了该T 程变形破坏的主要影响因素，在此基础上，进行了不同 支护方案的井筒变形分析和稳定性研究，提出了释放位移的让压支护施工工艺，并通过数值模拟，建立了不同支护条件井筒收敛 变形和T 程稳定性与支护参数的关系，明确了最大允许释放位移量。根据理论分析和数值模拟确定了主井返修支护方案。并进行 返修试验段试验。返修主井工程的变形监测和强度计算结果表明主井返修支护方案是比较合理和安全可靠的，并在主井的返修 旒工中得以采用。目前，主井返修施工已经全部完成，上程基本处于稳定状态。 关键词不良地层；竖井工程；变形破坏；返修支护；稳定性分析 中图分类号T D 3 5 2文献标识码A 文章编号1 0 0 l 0 2 l l 2 0 1 1 0 2 一0 2 4 4 一0 4 引言 1 0 6 3 m ，井深6 7 5 m ，设有五个马头门。 不良围岩地下工程的稳定性分析是岩体工程的 重要研究课题。其研究涉及岩体力学特性、稳定性 支护和安全评价等方面。高翔等针对金川矿区的不 良地层，采用围岩分类进行了岩体特性和计算参数 的研究。。张梅花、王利和高谦等进行了金川不良 地层的让压支护和高地应力竖井及巷道的支护设计 和稳定性分析研究，初步探讨了不良地层矿山工程 的稳定性，并进行了安全评价旧。1 。余伟健等还进 行了松散围岩强化支护技术的可靠性研究”1 。张 周平等还开展了不良岩体工程的锚固设计关键机理 路径分析，由此揭示岩土工程的影响因素和相互作 用路径和机理，为不良地层的岩土工程支护设计和 稳定性控制提供理论依据’。 1 研究背景 本文以某矿区溜破系统的主井工程为研究背 景。主井工程位于矿区F 。与F 。两条断裂所夹的三 角地带，推测断层和主井位置的关系如图l 所示。 主井井筒净直径咖5 ．3 m ，井口标高7 3 8 m ，井底标高 收稿日期2 0 l o 一∞一1 3 基金项目。十一五”国家科技支撑计捌重点项目 2 ∞8 B A B 3 2 ∞1 作者简介王贤来 1 ％8 一 ，男．甘肃天水人，教授缀高级工程师。 采矿工程专业，主要研究方向为矿山开采、岩石力学、巷 道支护及矿山充填技术。 图l主副井工程位置及断裂构造略图 F i g ．1 S k e t c hp l a no fm a i n ／a u x i l i a r ys h 如 l o c a t i o na n df a u l ts t r u c n l r e 8 由于主井选址时没有进行详细的地质勘探，在 主井施工过程中，1 3 5 0 m 和1 2 2 0 m 水平以下遇到了 比较大的断层破碎影响。工程施工结束不久， 1 1 0 8 m 标高以下“m 的井筒段发生不同程度的变 形破坏。随着溜破系统的施工，该区段井筒变形破 坏加剧，最大变形超过5 0 0 m m ，严重影响工程的使 用，亟待需要返修加固。因此，开展主井工程变形破 坏机理分析、支护方案设计、返修方案决策以及施工 工艺的研究，不仅在于确保主井的安全返修施工，更 重要的是采用合理的支护技术和施工工艺，实现返 修后主井工程的长期稳定和安全运营。 2 主井变形破坏影响因素分析 根据现场施工所揭示的工程地质条件、支护设 计和旅工工艺，确定了主井变形破坏的主要影响因 万方数据 第2 期王贤来等不良地层竖井工程变形分析与返修支护设计 2 4 5 素如下 1 主井工程地质条件 通过分析主井工程地质剖面图和岩层出露岩性 可知主井工程围岩受隐伏的F 和F ．断层影响，其 围岩基本上属于Ⅳ一V 类的不良岩体。不良地质条 件是导致主井变形破坏的内在因素。尤其1 2 2 0 m 以下的均质混合岩不仅围岩自身承载力低，而且埋 藏深、地压大。在高应力环境中，不良围岩显现出明 显的蠕变特性，其蠕变临界应力低、蠕变时间长、变 形量大。因此，竖井将维持较长的蠕变变形地压作 用，使得井筒围岩变形难以短期内稳定。 2 井筒围岩高应力环境 主井稳定性依赖于井筒开挖次生应力环境，次 生应力性态和量值与矿区水平构造应力密切相关该 矿区存在较大的水平构造应力，而中间主应力为自 重应力，最大和最小主应力为近似于水平方向。随 着深度增加，不仅中间主应力增大，而且水平主应力 之差也随之增加，由此产生不利于井筒稳定的应力 环境。对较高的水平构造应力场，井简稳定状态依 赖于围岩的剪切应力分布。显然，井筒越深，剪切破 坏应力也就越大，也就越不利于井筒的稳定性。 3 施工工艺与支护技术 井筒正常段初始支护方案 喷锚网层5 0 m m 素混凝土衬砌4 5 0 m m 三维数值模拟和安全评价， 由此揭示初期支护方案的变形破坏原因和影响因 素。 施工工艺 二次支护时间 与支护类型也是竖 井工程稳定性的重要影响因素。对于深部以变形地 压为主的挤压破碎岩层，柔性支护和适当让压 释 放位移 是控制变形地压的重要措施之一。一方 面，支护时间不当，变形地压得不到有效释放，井筒 将被挤压，从而发生变形破坏；另一方面，如果释放 过大，造成围岩强度进一步恶化，将导致井筒围岩发 生垮冒和坍塌。从主井变形破坏的现象来看，前期 支护形式和施工工艺中由于没有考虑到围岩蠕变特 性，没有合理释放地压，从而难以控制变形。 三个指标的关系曲线，如图2 至图4 所示。 ⋯＼ ＼一＼． ／ ＼●／ 图2 衬砌厚度与衬砌收敛变形的关系曲线 F i g ．2 R e l a t i o nc u r v e 8f o r8 h a f ti n n e rl i n i n gt h i c k n e 8 s a n dc o n v e r g e n c ed e f b 珊a “o n 蛊 罢 R 辎 求 培 器 麓 ＼ ＼J 、▲／ ＼．／ ＼／ ＼．／ 图3 衬砌厚度与围岩塑性区厚度的关系 F i g ．3 R e l a t i o nc u r v ef o r8 h a f ti n n e rl i n i n gt h i c k n e 8 Ba n d p l a 8 t i cz o n et h i c k n e B Bo f8 u r m u n d i n gI D c k B 罢 越 酷 凶 趟 副 图4 衬砌厚度与衬砌最大主应力的关系 F i g ．4 R e I a t i o ncurvef o r8 h a f ti n n e rl i n i n gt h i c k n e 8 8 。 明dm a x i m a Ip r i n c i p a lB t r e s B 由此可见，井筒衬砌结构的收敛变形量和最大 主应力随衬砌结构的厚度增大近似于线性地减小。 而围岩塑性区厚度与衬砌结构厚度的关系存在一个 拐点。当衬砌结构厚度超过6 2 5 m m 时，围岩塑性区 范围将扩大，不利于井筒结构和围岩的稳定性。 3 井筒衬砌结构的合理厚度 4 井筒衬砌抗压强度安全分析 为了确定井筒衬砌结构的合理厚度，需要建立 衬砌厚度与衬砌的收敛量、塑性区厚度以及衬砌最 大主应力的关系。这三个表征井筒和衬砌变形与稳 定状态的物理量随让压位移量的不同而不同。因 此，取不同厚度的衬砌所对应的合理让压平均值进 行计算，由此获得了衬砌结构厚度与井筒稳定性的 为了揭示井筒衬砌结构厚度对其安全性影响。 基于衬砌承受的最大压应力和抗压强度计算衬砌的 安全系数。根据公路隧道设计规范 J T J 0 2 6 _ 9 0 ， 混凝土偏心受压构件按强度准则进行验算。计算方 法是混凝土材料的极限抗压强度。计算出偏心受压 万方数据 有色金属第6 3 卷 构件的极限承载力J 『＼，极限，与实际内力相比较，得出 截面的抗压 或抗拉 强度安全系数，检查其是否满 足要求，即 K Ⅳ极限／Ⅳ≥K 规 1 当由抗压强度控制，即e 彬Ⅳ≤O ．2 ．I l 时 Ⅳ撮限 咖艘。6 2 式中西一构件纵向系数，隧道衬砌取l ；R 。一混 凝土极限抗压强度；a 一轴力偏心影响系数，按以下 经验公式，a l 一1 ．5 e 朋确定；6 一截面宽度，取 1m ，I 一截面厚度。 当由抗拉强度控制，即e 肘／Ⅳ≥0 ．2 ，l 时 1 ．7 5 R ．6 I I l ‰限2 咖f 3 i 叫 式中R 。一混凝土极限抗拉强度。 井筒衬砌不同深度的安全系数的计算结果见表 l 。其变化曲线如图5 所示。 表1井筒衬砌强度安全系数与深度对应关系表 T a b l elR e l a t i o nt 8 b l eo fi n n e rl i n i n g8 t r e n g t h f a c t o ra n dd e p t ho fs h a f t 繇 垛 剞 弼 越 骥 墨 霉 。7 ＼ ／＼ ／＼ ，， 、 一 V l L 02∞4∞“10Ⅸ耵 深度，m 图5 衬砌强度安全系数与深度对应关系曲线图 初始支护方案 F i 昏5 R e l a t i o nc u r v eo fi n n e rl i n i n gs t r e n g t hf a c t o ra n d d e p t ho fs h a f t p r i m a r ys u p p o r ts c h e m e 由此可以发现，竖井井筒衬砌结果的强度安全 度与地层具有如下关系 1 从井口到2 0 0 m 深度的井筒，其安全系数均 大于4 ．0 ，表明在此范围内井筒强度安全度远远大 于设计规范要求的安全度。 2 从2 0 0 4 0 0 m 约2 0 0 m 长度的井筒，衬砌结 构强度安全系数随着深度增加逐渐减小，从最大的 1 2 ．4 8 降至到3 ．5 。随后，由于井筒进入围岩稍好的 花岗岩脉地层，安全系数又略有提高，从3 ．5 提高到 4 ．7 2 。 3 从井深大约5 5 0 m ，井筒围岩进入不良的均 质混合岩地层，安全系数也开始急剧减小。从井口 至5 5 0 m 的井段，不包括马头门，正常井段的衬砌结 构满足强度安全要求。 4 从井深5 5 0 m 以下，衬砌安全系数急剧减 小，到6 0 0 m 深，安全系数减小到0 ．0 4 。这表明从 5 5 0 m 深度以下井筒安全度不能满足安全要求，需要 返修加强支护。 5 返修支护井筒的数值模拟与返修方案 针对主井初次支护方案难以满足井筒稳定的情 况，通过二维数值分析和综合研究，调整了井筒在不 良地层中的支护方案进行返修，即一次支护5 0 m m 喷锚网 二次衬砌7 5 0 m m 钢筋混凝土。按照这一 支护返修方案对破碎带地层中的井筒支护进行数值 分析。 调整后的支护方案的井筒衬砌强度安全系数计 算结果列于表2 中，衬砌强度安全系数随深度变化 曲线如图6 所示。根据调整后的返修支护方案进行 施工，衬砌强度安全均大于2 ．O 。井筒衬砌的抗压 强度满足设计规范要求。即使对于深部不良的均质 混合岩，采取调整后的支护方案，也可以控制围岩变 形，确保结构的稳定。 赣 垛 删 舷 越 骥 最 聋 3 ．5 0 3 ．0 0 2 ．5 0 2 ．∞ 1 ．5 0r ’一 I 』耵F 一 0 ．．E mr 一 0 ．0 0 0 一。一一。一一‘⋯。1 。4 5 05 ∞S 5 0 “X ，6 5 07 0 07 5 0 深度，m 图6 衬砌强度安全系数与深度对应关系曲线图 调整后的支护方案 F i g ．6 R e l a t i ∞c u 丌eo fi 曲e rl i n i n gs 缸即g t I lf 如t o r 衄d d e p t ho fs h a f t a d j u 8 t e d8 u p p o r t8 c h e m e 表2 衬砌强度安全系数与深度对应关系表 调整后的支护方案 1 铀l e2R e l 砒i o nt a h l eo fi n n e rl i n i Ⅱgs n 蚰g t hf 如t 叩蚰d d e p t l lo fs h a f l a d j u s t e ds u p p o r t 卵h e m e 井筒深度／Ⅲ 5 1 05 6 55 8 06 1 06 5 07 2 3 衬砌强度安全系数 3 ．0 72 ．鹋2 ．3 42 ．2 62 ．2 l2 ．1 9 Y X X X X X X X 4 2 O 8 6 4 2 O 万方数据 第2 期王贤来等不良地层竖井工程变形分析与返修支护设计 2 4 7 6结论 通过分析研究，获得以下结论 1 增大衬砌厚度，井筒衬砌收敛值的减小不十 分明显，但井筒衬砌中的最大主应力降低较为显著。 因此，对于深部井筒，可以适当增大衬砌厚度，减小 衬砌的最大主应力，从而提高衬砌的抗压剪破坏。 2 随着释放位移的增加，围岩塑性区范围先线 性增加，在达到一量值后，塑性区范围急剧扩大。可 见，通过适当让压可提高围岩的自承能力，但让压释 参考文献 放位移过大，塑性急剧扩大，不仅导致围岩稳定性降 低，而且围岩塑性位移加大，减小主井使用空间。 3 对于本文所研究的井筒结构与围岩条件，让 压释放位移应小于8 0 m m 。 4 根据锚杆锚索支护与注浆加固设计方案，通 过试验段的施工后发现，在开始阶段井筒仍有局部 变形开裂现象。但是随着时间延长继续变形趋势明 显减缓。表明返修效果良好，并且已经应用于后期 的返修施工设计和施工中。 [ 1 ] 高翔，高谦．余伟健，等．金川Ⅲ矿区岩体分类及其力学特性参数预测[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 7 ，1 5 6 7 4 6 7 5 1 ． [ 2 ] 张梅花，高谦，闫振华，等．金川矿区副井工程让压支护数值分析与参数优化[ J ] 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e n c i n gf h c t o ro fm a i n8 h a f td e f b 瑚a t i o nw a 8p r e s e n t e d ． A n dt h e n ，b a s e do nt h i s ，d e f o m a t i o na n a l y 8 i sa n d 8 t a b i l i t yo fs h a f tw i t I ld i H ．e r e n ts u p p o n8 c h e m ew e r ef i n i s h e d ， t l I ey i e l d8 u p p o r tw i t hd i s p l a c e m e n t r e l e a 8 ew a 8 b r o u g h tu p ，t h e 陀l a t i o n 8 h i pb e t w e e nc o n V e r g e n c e ，8 a f e t yf a c t o ra 8w e Ua s8 u p p o np a r a m e t e 玛w e r ee 8 t a b l i 8 h e db y m e a n 8o fn u m e r i c a l8 i m u l a t i o n ，山em a x i m u mp e 珊i t t e dd i s p l a c e m e n t - 陀l e a s ew a sd e f i n e d ． A c c o r d i n gt ot h el h e o r y a n a l y s i sa n dn u m e r i c a l8 i m u l a t i o n ，t l I e 聆p a i r8 c h e m eo fm a i n8 h a f tw a 8d e t e 珊i n e d ， a n dt h e 陀p a i rt e s tw a 8a 1 8 0 d o n e -T h er e s u l t 8o fd e f o 珊a t i o nm o n i t o r i n ga n d8 t r e n g t hc a l c u l a t i n g8 h o w e dt h a tt h er e p a i r8 u p p o n8 c h e m ew a 8 托a 8 0 n a b l ea n df e a 8 i b l e ，w h i c hw a 8u s e di nt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o n ．A tp r e 8 e n t ， 她p a i ro fm a i ns h a f th 8 sb e e n c o m p l e t e d ，t h em a i n8 h a f ti 8 i n8 t a b l e8 t a t e ． K e y w o r d s w e a ks t r a t a ；B h a f te n g i n e e r i n g ；d e f o 珊a t i o na n df a i l i n g ；托p a i rs u p p o r t ；8 t a b i l i t ya n a l y 8 i 8 责任编辑周叶 万方数据