邱建輝

（紫金（廈門）工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361016）

0 前言

井筒是地下礦山的關(guān)鍵通道，它擔(dān)負(fù)著整個礦井生產(chǎn)的提升任務(wù)，提出有用礦石和廢石，運(yùn)入生產(chǎn)材料和設(shè)備，它是生產(chǎn)和作業(yè)人員的出入口。在井巷工程結(jié)構(gòu)中，井筒屬于一級建筑物，而井壁是支撐井筒周圍水土壓力的重要結(jié)構(gòu)?；谶@種情況，井壁結(jié)構(gòu)在整個生產(chǎn)服務(wù)過程中必須保證絕對安全。隨著淺部資源的消耗，越來越多的礦山開采逐漸向深部過渡；此外隨著開采工藝水平提高，采礦規(guī)模不斷增大，相應(yīng)的設(shè)備配置空間需求也逐漸變大，對井筒的深度和斷面也提出了更高的要求。由此配置的大斷面超深井面臨著深部高地壓、地?zé)岷涂赡艽嬖诘母咚畨旱炔焕蛩豙1]；在滿足安全生產(chǎn)和提升規(guī)模的條件下，如何確定合理的支護(hù)形式是超深井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難題。該文以某銅礦新副井為例，研究超深井基巖段支護(hù)設(shè)計(jì)面臨的問題及解決辦法。

1 項(xiàng)目實(shí)施前存在的問題

新副井井筒凈斷面直徑7.5m，井深1277m，井筒分為兩段，分別為井頸段和基巖段，該設(shè)計(jì)主要依據(jù)《有色金屬礦山井巷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50915—2013）、《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50384—2016）以及《新編礦山采礦設(shè)計(jì)手冊（井巷工程卷）》等。根據(jù)《有色金屬礦山井巷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)井筒處在中等穩(wěn)定以上且工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件簡單的巖層中時(shí)，可采用類比法或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定井壁支護(hù)厚度。當(dāng)井深小于600m時(shí)，基巖段井筒混凝土井壁厚度可以按表1確定[2]；當(dāng)深度大于600m時(shí)，宜加大井壁厚度或提高混凝土強(qiáng)度等級。

表1 基巖段井壁厚度經(jīng)驗(yàn)值

如果井筒深度在600m以內(nèi)，以上井壁厚度經(jīng)驗(yàn)值基本可以保證井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但新副井深度遠(yuǎn)大600m，僅靠工程類比法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可能造成支護(hù)強(qiáng)度不夠和井壁開裂破壞，影響礦山的生產(chǎn)運(yùn)營，甚至導(dǎo)致重大損失，應(yīng)該采用理論計(jì)算與工程類比相結(jié)合的方法確定合理的支護(hù)形式。

規(guī)范GB 50384—2016規(guī)定，新副井基巖段井壁按照平面擋土墻理論公式計(jì)算，即通過傳統(tǒng)側(cè)壓力系數(shù)法確定井壁荷載，使計(jì)算得出的井壁厚度隨深度成冪函數(shù)關(guān)系增加[4]，且計(jì)算中不考慮水平應(yīng)力，對圍巖自承能力不足，計(jì)算得出的井壁荷載偏大，可能導(dǎo)致支護(hù)厚度過大，進(jìn)而形成支護(hù)成本浪費(fèi)。

2 問題的分析與解決

2.1 井筒斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)

對常規(guī)豎井?dāng)嗝嫘螤畹倪x擇主要考慮礦井服務(wù)年限、通風(fēng)要求、地質(zhì)條件和建設(shè)成本等因素，豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)主要為矩形和圓形。對超深豎井而言，其井筒圍巖不僅受自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的作用，同時(shí)在井筒深部，其井筒圍巖受水平地應(yīng)力（原巖應(yīng)力達(dá)到95MPa～135MPa）[3]、重復(fù)荷載和爆破震動等疊加應(yīng)力作用，導(dǎo)致井筒開挖后，當(dāng)其圍巖承受的疊加應(yīng)力超過井筒圍巖強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致井筒可能產(chǎn)生彈性變形、塑性破壞和塑性破壞，甚至形成井筒圍巖失穩(wěn)破壞、坍塌和巖爆災(zāi)害。

早期淺埋豎井（深度小于600m）斷面多采用矩形斷面井筒結(jié)構(gòu)，但隨著豎井開鑿深度的增加，井筒圍巖承受的自重應(yīng)力、附加應(yīng)力和最大水平應(yīng)力進(jìn)一步增加，在矩形井筒斷面拐角處產(chǎn)生高應(yīng)力集中，誘致井筒圍巖產(chǎn)生破壞，矩形斷面設(shè)計(jì)逐漸被淘汰。新副井采用圓形斷面，井筒斷面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其能夠滿足抵抗作用于井壁的高應(yīng)力要求。

圖1 井筒斷面結(jié)構(gòu)形式（單位：mm）

2.2 按傳統(tǒng)側(cè)壓力系數(shù)法確定井壁壓力

采用《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中的基巖段井壁所受徑向荷載公式計(jì)算井壁壓力，計(jì)算結(jié)果如公式（1）和公式（2）所示。

式中：Ps n，k、PX n，k為第n層巖層頂?shù)装遄饔镁谏系木鶆蚝奢d標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；h1、h2…h(huán)n為各巖層厚度（m）；h1、h2…h(huán)n為各巖層的重力密度（MN/m3）；γ1、γ2…γn為各巖層重力密度（MN/m3）；An為巖（土）層水平荷載系數(shù)，可按規(guī)范GB 50384—2016表6.2.3取值；?n為第n層巖層內(nèi)摩擦角（°），以井筒工勘檢查鉆孔資料為準(zhǔn)，可按規(guī)范GB 50384—2016表6.2.3取值。結(jié)合新副井工勘報(bào)告提供的各個巖層厚度、重力密度和內(nèi)摩擦角可以計(jì)算出巖土層對井壁側(cè)向壓力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 巖土層對井壁側(cè)向壓力計(jì)算表

根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果可以看出，側(cè)向壓力隨井筒深度成冪函數(shù)關(guān)系增加，而在實(shí)際工程條件下，井筒的掘進(jìn)為圍巖變形提供了自由面，原巖應(yīng)力場發(fā)生重新分布，達(dá)到新的靜力平衡后，圍巖可以發(fā)揮自身承載能力，與井壁共同承擔(dān)井筒開挖后的二次應(yīng)力[5]，按巖層側(cè)壓力系數(shù)法隨著井深一味疊加側(cè)壓力是不合理的。

2.3 采用側(cè)壓力分?jǐn)偡ê侠泶_定井壁壓力

開挖活動破壞了原巖的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力需要重新分布以達(dá)到新的平衡。超深井中高應(yīng)力和高水壓的存在單靠澆筑混凝土井壁難以有效抵抗，經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)處于高應(yīng)力地層時(shí)，維護(hù)井巷穩(wěn)定不能硬抗，應(yīng)先采用柔性支讓圍巖的高應(yīng)力得以部分釋放，之后再進(jìn)行剛性支護(hù)。為此需要采用（噴）錨網(wǎng)對爆破后暴露的圍巖先進(jìn)行一次讓壓支護(hù)，不僅有利于預(yù)防巖爆傷害和保障施工安全，也有利于降低永久支護(hù)強(qiáng)度、減少支護(hù)厚度和保證混凝土井壁質(zhì)量；同時(shí)適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級，不僅可以減少井壁厚度和開挖量，還可以增強(qiáng)井壁的抗?jié)B性能。

柔性支護(hù)“以柔克剛”，在有效抵抗和釋放原巖高應(yīng)力的同時(shí)，還能發(fā)揮圍巖自身的承載能力，使剛性支護(hù)體與柔性支護(hù)體共同承載和維護(hù)井壁穩(wěn)定。支護(hù)設(shè)計(jì) 應(yīng)充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，使圍巖與支護(hù)體共同承載，令井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、合理、經(jīng)濟(jì)和安全。

根據(jù)研究及工程經(jīng)驗(yàn)，圍巖可通過實(shí)施錨網(wǎng)噴等首次支護(hù)來加大自承能力，從而提高“圍巖+首次支護(hù)”對側(cè)壓力的分擔(dān)比例，進(jìn)而減輕作為永久支護(hù)的井壁荷載；“圍巖 + 首次支護(hù)”釋放荷載在當(dāng)圍巖等級為Ⅳ級時(shí)，分擔(dān)比例為60%～80%；當(dāng)圍巖等級為Ⅴ級時(shí)，分擔(dān)比例為20%～80%[6]。

根據(jù)新副井工程條件，基巖段確定采用錨網(wǎng)噴首次支護(hù)+混凝土二次支護(hù)，其中錨桿規(guī)格采用螺紋鋼22m×2.5m，間距1.0m×1.0m，混凝土等級為C45，“圍巖+首次支護(hù)”分擔(dān)比例按75%考慮，經(jīng)過驗(yàn)算，分擔(dān)折算后的最底層側(cè)壓力Pk=1.46MPa。

2.4 確定井壁厚度

采用《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中擬定式計(jì)算井壁厚度，如公式（3）所示。

式中：t為井壁厚度（m）；rn為計(jì)算處井壁內(nèi)半徑（m）；fs為井壁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MN/m2）；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MN/m2）；fy為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MN/m2；P為計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值（MPa）；vk為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，該設(shè)計(jì)取1.35。

公式中井壁P通過側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算求得，將其余工程實(shí)際數(shù)據(jù)代入求得公式（4）～公式（6）。

式中：fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MN/m2）；vk為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，該設(shè)計(jì)取1.35。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，新副井基巖段井壁厚度為550mm。

2.5 采用荷載分擔(dān)方式后的井壁復(fù)核性驗(yàn)算

2.5.1 環(huán)向穩(wěn)定性驗(yàn)算

依據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，保證井壁環(huán)向穩(wěn)定應(yīng)符合下列基本條件。

素混凝土井壁如公式（7）所示。

井壁環(huán)向穩(wěn)定性如公式（8）所示。

式中：L0為計(jì)算處井壁圓環(huán)計(jì)算長度（m），L0=1.814r0；t為井壁厚度（m）；r0為計(jì)算處井壁圓環(huán)中心半徑（m），r0=（rn+rw）/2；rn為計(jì)算處井壁內(nèi)半徑（m）；rw為計(jì)算處井壁外半徑（m）；vc為泊松比，vc=0.2；Ec為混凝土彈性模量，（N/mm2）。

式中的井壁厚度通過擬定公式計(jì)算求得，將其余工程實(shí)際數(shù)據(jù)代入求得公式（9）和公式（10）。

由此可見，新副井基巖段550mm厚混凝土井壁滿足井壁環(huán)向穩(wěn)定要求。

2.5.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，混凝土厚度t=0.55m，井壁圓環(huán)中心半徑為4.025m，即t=0.55m≥r0/10=0.4025m。

按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定，當(dāng)井壁厚度t≥r0/10時(shí)，混凝土井壁按厚壁圓筒井壁驗(yàn)算，井壁圓環(huán)截面軸向力如圖2所示。

圖2 井壁圓環(huán)截面軸向力計(jì)算簡圖

井壁圓環(huán)截面切向應(yīng)力計(jì)算如公式（11）所示。

式中：σt為井壁圓環(huán)截面切向應(yīng)力（MPa）；rn為計(jì)算處井壁內(nèi)半徑（m）；rw為計(jì)算處井壁外半徑（m）；P為計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值（MPa）。

公式中井壁側(cè)壓力P通過側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算求得，將其余工程實(shí)際數(shù)據(jù)代入求得公式（12）。

由此可見，當(dāng)新副井基巖段素混凝土井壁均勻受壓時(shí)井壁圓環(huán)截面承載力滿足規(guī)范要求。

3 新副井工程現(xiàn)狀

新副井總深1277m，目前施工已達(dá)1050m，未出現(xiàn)井壁混凝土表皮剝落和掉渣等不利情況，也不存在井壁裂縫和鋼筋彎曲變形等現(xiàn)象，井壁結(jié)構(gòu)安全可靠。與傳統(tǒng)純C25混凝土支護(hù)方式相比，采用荷載分?jǐn)偡椒?，錨噴首次分擔(dān)+混凝土二次分擔(dān)支護(hù)，混凝土等級增加到C45，提高了井壁支護(hù)強(qiáng)度，可減少支護(hù)厚度1/3～1/2，減少圍巖開挖量10%～15%，可以節(jié)約40%以上的混凝土用量，加快施工速度2～4倍[3]，總體降低建設(shè)成本30%以上，較好地控制了井筒建設(shè)成本。

由此可見，側(cè)壓力分?jǐn)偡ㄔ诔罹ㄔO(shè)中的應(yīng)用可靠。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)解決了在超深井設(shè)計(jì)中如何合理確定基巖段支護(hù)參數(shù)的問題，具體解決步驟如下：1）隨著井深超過600m，《有色金屬礦山井巷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的井壁支護(hù)經(jīng)驗(yàn)值不再適用于設(shè)計(jì)，類比性的設(shè)計(jì)方法已不能科學(xué)地解決深井設(shè)計(jì)問題，該設(shè)計(jì)明確了必須采用理論計(jì)算的方法確定井壁結(jié)構(gòu)，增加井壁安全設(shè)計(jì)儲備；2）考慮井壁受高地壓和地?zé)岬炔焕蛩赜绊?，井壁采用高等級混凝土，根?jù)側(cè)壓力分?jǐn)偡ㄓ?jì)算得出的井壁壓力結(jié)果計(jì)算井壁厚度和內(nèi)力，對井壁穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核性驗(yàn)算，最終確定井壁支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，增加井壁安全設(shè)計(jì)儲備；3）通過分析，明確了傳統(tǒng)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算法具有一定的局限性，具體到深井工程實(shí)際中，一定要克服傳統(tǒng)的單純承壓思想，采用側(cè)壓力分?jǐn)偡椒ǎ浞掷脟鷰r自身強(qiáng)度以及首次錨網(wǎng)噴支護(hù)分擔(dān)作用來計(jì)算井壁壓力，使井壁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，避免設(shè)計(jì)的井壁過于厚大，節(jié)約了投資。