楊木林，程守業(yè)，宋亞新，高 峰，王永峰，谷群濤

(1.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013；3.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；4.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，井下、地面有大量的豎井建設(shè)需求，例如運(yùn)輸井、通風(fēng)井、瓦斯管道井、煤倉、溜煤眼、聯(lián)絡(luò)通道、取水孔、泄水孔、管纜孔等[1]。由于施工條件的限制，或者從提高工作效率、降低成本的角度出發(fā)，往往優(yōu)先選擇反井鉆井工藝進(jìn)行施工[2]。反井工藝主要流程如下：首先，從上部巷道鉆進(jìn)一個(gè)小直徑的導(dǎo)向孔與下部巷道相連，導(dǎo)孔貫通后，在下水平換裝擴(kuò)孔鉆頭，由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)[3，4]。

在大量的煤礦豎井建設(shè)項(xiàng)目中，通風(fēng)井具有直徑大、深度深的特點(diǎn)，通風(fēng)井是大直徑反井鉆井技術(shù)最普遍的應(yīng)用方向之一，其工程數(shù)量占煤礦大直徑反井工程總數(shù)量的絕大多數(shù)[5-7]。除井筒直徑外，地層巖性是另一項(xiàng)影響反井?dāng)U孔過程井幫圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，尤其以軟巖地層和破碎帶的影響最為顯著，在施工組織規(guī)劃時(shí)必須予以重視[8-12]。

煤礦豎井的反井鉆井施工過程中，大多數(shù)重大安全事故是由豎井結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性引起的[13-16]。本文以李家壕煤礦回風(fēng)暗立井工程作為大直徑豎井井筒穿越不利地層的反井鉆井應(yīng)用典型案例，對反井鉆井施工中可能導(dǎo)致豎井結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵性科學(xué)問題進(jìn)行分析討論，提出了一種基于強(qiáng)度折減法的圍巖失穩(wěn)工程判斷方法，并通過實(shí)際施工過程中的井幫圍巖狀態(tài)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 工程概況

李家壕煤礦位于鄂爾多斯市東勝區(qū)東南，地處鄂爾多斯黃土高原的東北部，一般海拔標(biāo)高為1500～1430 m，井田范圍內(nèi)存在季節(jié)性溝谷，無常年地表徑流。李家壕煤礦為低瓦斯礦井，平均地溫梯度為2.25℃/100 m，屬正常地溫區(qū)，無高溫異常，不影響井下采掘。水文地質(zhì)類型為第二類第一型裂隙充水為主的簡單型，礦井正常涌水量為120 m3/h，最大涌水量為180 m3/h。

李家壕煤礦井田內(nèi)地層由老至新發(fā)育有6層：三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)(J2)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)和第三系(N2)、第四系(Q)，總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，傾向220°～260°，地層傾角小于5°。井田構(gòu)造屬簡單類型，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，亦無巖漿巖侵入。

李家壕煤礦回風(fēng)暗立井工程采用反井鉆井法施工，設(shè)計(jì)井筒長度77 m，直徑6 m，井筒連接5-1煤層回風(fēng)石門與3-1煤層回風(fēng)石門，作為5-1煤層開采的回風(fēng)通道。井筒井口位于3-1煤層臨時(shí)車場聯(lián)絡(luò)巷，埋深220 m，海拔標(biāo)高1189 m，井底落底于5-1煤層底板，如圖1所示，埋深297 m，海拔標(biāo)高1112 m。

圖1 回風(fēng)暗立井設(shè)計(jì)(mm)Fig.1 Design of concealed vertical shaft for air return

反井鉆井施工前，對擬鉆進(jìn)區(qū)域施工井檢孔，實(shí)施現(xiàn)場原位地質(zhì)勘查，井筒穿越地層情況見表1。根據(jù)井檢孔勘察資料，井筒段共計(jì)穿越8條巖層，其中多數(shù)巖層為軟弱巖層，為第三類第二型層狀巖類工程地質(zhì)條件中等型巖層，工程地質(zhì)條件較差。據(jù)井筒下水平5-1煤層開拓巷道現(xiàn)場反饋，位于暗立井下水平巷道的煤層頂?shù)装迥鄮r巖層(即表1中“編號8”對應(yīng)地層)具有遇水軟化特性，與該地層巖性相同的砂質(zhì)泥巖地層在擬建井筒中存在厚達(dá)21.5 m的穿越段(即表1中“編號6”對應(yīng)地層)，目前尚無有效手段預(yù)判其穩(wěn)定性。本文即針對該問題開展專項(xiàng)研究工作，以期提出大直徑反井過程中的井幫局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)定量評價(jià)方法。

表1 井筒穿越地層情況Table 1 Situation of wellbore crossing strata

2 基于強(qiáng)度折減法的井幫穩(wěn)定性評價(jià)方法

圍巖的不穩(wěn)定性是大直徑立井發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要影響因素之一[9]。在反井?dāng)U孔過程中，巖渣從掘進(jìn)面不斷掉落到豎井底部，不能為人員進(jìn)入井筒支護(hù)圍巖提供合適的工作條件[10]。大直徑立井需要依靠圍巖自身的自穩(wěn)能力在幾天到幾十天的時(shí)間內(nèi)保持豎井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，為擴(kuò)孔施工和后續(xù)支護(hù)作業(yè)的展開提供充足的時(shí)間窗口[11]。在此期間，井幫圍巖完全暴露在外，并且會受到地面應(yīng)力、淋水和風(fēng)化的影響，導(dǎo)致井筒結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)性失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。本節(jié)將使用強(qiáng)度折減法來確定一種井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價(jià)方法。針對李家壕煤礦回風(fēng)暗立井工程真實(shí)地質(zhì)條件，以埋深為400 m、直徑為5 m條件下的豎井圍巖狀態(tài)作為極限自穩(wěn)定狀態(tài)的先驗(yàn)，通過有限差分強(qiáng)度折減得到該狀態(tài)下圍巖的安全系數(shù)k0，將其作為衡量圍巖是否能夠保持結(jié)構(gòu)自穩(wěn)的定量評價(jià)指標(biāo)。

2.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法主要是將巖體強(qiáng)度指數(shù)的內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時(shí)除以折減系數(shù)k，以獲得一組新的c′和φ′值，這些值將作為新的材料參數(shù)用于數(shù)值計(jì)算。當(dāng)圍巖剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)的k值為圍巖的穩(wěn)定系數(shù)，其計(jì)算公式為：

c′=c/k

(1)

φ′=arctan(tan(φ/k))

(2)

為了避免數(shù)值的盲目性，首先根據(jù)巖體的實(shí)際強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后根據(jù)觀察到的圍巖破壞均勻地增大或減小k，直到圍巖變形為止。在該狀態(tài)下圍巖接近臨界破壞，執(zhí)行局部精細(xì)值以確保圍巖安全系數(shù)的準(zhǔn)確性。

2.2 回風(fēng)暗立井反井施工模型

使用Abaqus建立有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為四節(jié)點(diǎn)四面體單元，并將網(wǎng)格導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行開挖模擬，反井施工模型如圖2所示。模型尺寸為50 m×50 m×100 m，反井鉆井開挖區(qū)為直徑5 m的圓柱體。模型的單元數(shù)為164970，節(jié)點(diǎn)數(shù)為88170。對開挖區(qū)圍巖進(jìn)行位移監(jiān)測，如圖3所示，共設(shè)置8對監(jiān)測點(diǎn)，基于對稱性，可僅分析一側(cè)的位移變化情況。反井鉆井區(qū)域?yàn)閳D3中A點(diǎn)與H點(diǎn)中間的圓柱形區(qū)域，按照井檢孔地質(zhì)分層資料被劃分成11個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段長6 m。

圖2 反井施工模型Fig.2 Construction model of raise boring

圖3 監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of monitoring points

初始穩(wěn)定狀態(tài)的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》按最不利圍巖穩(wěn)定的參數(shù)組合選取，其中強(qiáng)度參數(shù)和模量參數(shù)取最低值，重度和泊松比取最高值，故數(shù)值計(jì)算中Ⅰ級圍巖密度ρ取2500 kg/m3，彈性模量E取33 GPa，泊松比μ取0.2，內(nèi)摩擦角φ取60°，粘聚力c取2.1 MPa。數(shù)值模擬過程中，根據(jù)強(qiáng)度折減系數(shù)，逐漸降低初始狀態(tài)圍巖的c、φ值，以討論。

2.3 數(shù)值模擬過程

數(shù)值模擬過程可分為5個(gè)步驟：

1)設(shè)置邊界條件，模型四周設(shè)置沿邊界面的法向位移約束，底部設(shè)置三個(gè)方向上的位移約束，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。

2)地應(yīng)力平衡后，在模型頂部邊界上施加垂直于邊界的壓應(yīng)力，大小為400×25000=10 MPa，用以模擬400 m埋深下的圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

3)將反井?dāng)U孔的起始點(diǎn)處的“巷道”區(qū)域的土體挖去，再次進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

4)對反井?dāng)U孔開挖區(qū)段自下而上沿點(diǎn)A→點(diǎn)H的開挖順序依次進(jìn)行11次開挖。

5)控制圍巖的其他參數(shù)不變，根據(jù)強(qiáng)度折減系數(shù)，改變c、φ值，重復(fù)上述4個(gè)步驟。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

利用強(qiáng)度折減法的思想計(jì)算出不同折減系數(shù)下圍巖的變形狀態(tài)，并統(tǒng)計(jì)井壁關(guān)鍵點(diǎn)在各強(qiáng)度折減系數(shù)下的位移值。

在埋深為400 m、直徑為5 m、Ⅰ級圍巖條件下，開挖結(jié)束后強(qiáng)度折減系數(shù)與關(guān)鍵點(diǎn)位移(Y方向)的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，關(guān)鍵點(diǎn)位移基本呈現(xiàn)出同步增長的趨勢，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k<2.5時(shí)位移值增長緩慢，表明圍巖處于彈性變形階段，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k>2.5時(shí)位移值迅速增長，說明部分圍巖單元已進(jìn)入無限發(fā)展的塑性流動階段。

圖4 圍巖強(qiáng)度折減系數(shù)與關(guān)鍵點(diǎn)位移值關(guān)系Fig.4 Relationship between strength reduction coefficient of surrounding rock and key point displacement values

圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況如圖5所示，分別取開挖48 m時(shí)，各強(qiáng)度折減系數(shù)下過B點(diǎn)的水平剖面進(jìn)行對比。由圖5可知，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k<2.75時(shí)，隨著k增大，塑性區(qū)面積急劇增大；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k>2.75時(shí)，塑性區(qū)面積不隨k的增大而增大，這是由于邊界效應(yīng)，模型選取的范圍有限。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k<2.75時(shí)，塑性區(qū)的形狀近似圓形；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k>2.75時(shí)，由于邊界效應(yīng)，導(dǎo)致塑性區(qū)形狀類似“十”字形。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布變化Fig.5 Variation of plastic zone distribution in the surrounding rock

使用顏色提取的方法，獲得每個(gè)圖形中的塑性區(qū)的面積，然后通過比例轉(zhuǎn)換獲得塑性區(qū)域的面積，如圖6所示。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k小于2.5時(shí)，塑性區(qū)的面積近似線性增加。 當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k大于2.5時(shí)，塑性區(qū)的面積隨k的增加呈指數(shù)增加。

圖6 圍巖強(qiáng)度折減系數(shù)與塑性區(qū)面積變化關(guān)系Fig.6 Relationship between strength reduction coefficient of surrounding rock and development of plastic zone area

綜上所述，可標(biāo)定圍巖的穩(wěn)定系數(shù)k0為2.5，這意味著圍巖的強(qiáng)度可以承受二次應(yīng)力破壞并保持穩(wěn)定。當(dāng)圍巖穩(wěn)定系數(shù)大于k0時(shí)，圍巖便可以穩(wěn)定下來。小于k0時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施與圍巖共同承受二次應(yīng)力破壞，否則存在井幫局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 配套處理措施

為預(yù)防空幫問題給井幫圍巖穩(wěn)定帶來的潛在危害，需對圍巖穩(wěn)定性評價(jià)為“存在井幫圍巖局部失穩(wěn)垮落風(fēng)險(xiǎn)”的井筒段實(shí)施圍巖封閉作業(yè)，提前控制破碎、開裂、小塊掉落等井幫大面積空幫破壞。

為實(shí)現(xiàn)這一目的，提出了配套工程解決方案，對井幫實(shí)施隨鉆噴漿臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，即：在反井?dāng)U孔階段，完成一個(gè)井段的擴(kuò)刷后，暫停擴(kuò)孔作業(yè)，利用鉆機(jī)底座上的插板將反井鉆桿和擴(kuò)孔鉆頭固定。在空心的反井鉆桿內(nèi)下放多層鉆桿，最下部為多層支護(hù)噴頭，噴嘴隨著鉆桿做旋轉(zhuǎn)和提升復(fù)合運(yùn)動螺旋上升。利用高壓設(shè)備以一定的壓力把支護(hù)漿液迅速噴射至井幫圍巖面。漿液迅速固化，進(jìn)而形成支護(hù)體，以改善井壁圍巖條件，起到止水與封閉圍巖的作用。待擴(kuò)孔作業(yè)完成后，人員經(jīng)吊盤進(jìn)入井筒，實(shí)施掛網(wǎng)錨噴等永久支護(hù)施工。

臨時(shí)隨鉆支護(hù)工藝可在井筒開挖后快速形成薄壁襯砌結(jié)構(gòu)，控制空幫破壞先兆，提高井幫圍巖的臨時(shí)自穩(wěn)能力，為擴(kuò)孔作業(yè)的順利完成提供了時(shí)間窗口，有效解決了實(shí)際反井工程的核心需求。

4 工程驗(yàn)證

結(jié)合工程實(shí)際，李家壕煤礦回風(fēng)暗立井穿越一段厚達(dá)21.5 m的砂質(zhì)泥巖地層，且該泥巖具有顯著的遇水軟化性。針對現(xiàn)場獲取的泥巖試樣，根據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZT 0276.20—2015)，開展了泥巖常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照式(3)、式(4)確定了巖樣內(nèi)聚力。

式中，C為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；m為試驗(yàn)測定強(qiáng)度包絡(luò)線直線段斜率；b為試驗(yàn)測定強(qiáng)度包絡(luò)線直線段在Y軸上的截距。

分別測定了砂質(zhì)泥巖天然狀態(tài)和遇水軟化后的巖石力學(xué)參數(shù)：天然狀態(tài)下泥巖內(nèi)聚力為1.27 MPa，遇水軟化后的泥巖內(nèi)聚力為0.47 MPa，按此計(jì)算，天然狀態(tài)下強(qiáng)度折減系數(shù)k為1.65，低于穩(wěn)定系數(shù)k0，井幫可保持穩(wěn)定，而遇水軟化后強(qiáng)度折減系數(shù)k升高至4.46，顯著高于穩(wěn)定系數(shù)k0，該段井幫圍巖存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，判定大直徑反井鉆機(jī)擴(kuò)孔穿越該段地層時(shí)，若出現(xiàn)淋水、涌水現(xiàn)象，則存在井幫圍巖局部失穩(wěn)垮落風(fēng)險(xiǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)跟進(jìn)了李家壕煤礦回風(fēng)暗立井反井鉆井工程的完整施工過程。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反井?dāng)U孔穿越具有遇水軟化特性的砂質(zhì)泥巖地層時(shí)，反井?dāng)U孔鉆進(jìn)過程中井筒內(nèi)部出現(xiàn)明顯的淋水、涌水現(xiàn)象，因此判定對該砂質(zhì)泥巖地層井幫圍巖的自穩(wěn)能力具有顯著削弱作用。根據(jù)前述提出的評估方法，預(yù)判井幫圍巖將出現(xiàn)不同程度的破壞。由于反井?dāng)U孔階段巖渣持續(xù)掉落，人員無法進(jìn)入井筒，因此研究團(tuán)隊(duì)采用了位于井筒下水平巷道觀察巖渣的方式，通過對巖渣的異常狀態(tài)的觀察來判斷井筒內(nèi)部是否出現(xiàn)了局部失穩(wěn)現(xiàn)象。在持續(xù)觀測中，主要發(fā)現(xiàn)以下異常狀態(tài)：

1)反井?dāng)U孔鉆進(jìn)過程中，下水平出渣量顯著增大。反井?dāng)U孔鉆進(jìn)時(shí)，布置在擴(kuò)孔鉆頭體上的滾刀系統(tǒng)對破巖面進(jìn)行滾壓破巖，在鉆壓和轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定條件下，下水平出渣量應(yīng)保持穩(wěn)定。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，井筒內(nèi)部淋水條件下，反井?dāng)U孔在穿越具有遇水軟化特性的砂質(zhì)泥巖地層的過程中，下水平出渣量顯著增大，超過其它地層出渣量的20%。增加的出渣量為井幫圍巖發(fā)生失穩(wěn)、破壞后掉落形成，該現(xiàn)象說明井幫圍巖在發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

2)下水平巖渣中出現(xiàn)大型巖塊。反井鉆井法采用鑲齒滾刀對破巖面進(jìn)行滾壓破巖，刀齒多采用楔形齒或球形齒，其破巖過程形成的巖屑一般較為細(xì)密，以片狀、粒狀為主，直徑一般不超過50 mm。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，反井?dāng)U孔在穿越具有遇水軟化特性的砂質(zhì)泥巖地層時(shí)，下水平巖渣中出現(xiàn)直徑超過300 mm的大型巖塊，為井幫圍巖遇水軟化效應(yīng)誘發(fā)局部崩塌所形成。反井?dāng)U孔過程中井幫圍巖裸露，嚴(yán)重片幫將對井筒穩(wěn)定性造成威脅，該現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)井幫圍巖確實(shí)發(fā)生了局部失穩(wěn)破壞。

在發(fā)現(xiàn)局部失穩(wěn)異常后，即采用臨時(shí)隨鉆支護(hù)工藝實(shí)施井幫圍巖封閉旋噴作業(yè)。旋噴作業(yè)過程中，噴漿管轉(zhuǎn)速為2 r/min，噴漿口至井幫圍巖距離為1 m。

擴(kuò)孔結(jié)束后，井幫支護(hù)作業(yè)自井口至井底由上而下進(jìn)行，為研究團(tuán)隊(duì)對井筒破壞情況的實(shí)地勘察創(chuàng)造了有利條件。研究團(tuán)隊(duì)搭乘井幫支護(hù)吊盤進(jìn)入井筒內(nèi)部，對井幫圍巖進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在穿越遇水軟化特性的砂質(zhì)泥巖地層井筒段，反井井幫出現(xiàn)了嚴(yán)重空幫?？諑托纬捎诜淳?dāng)U挖過程中，該地層井幫圍巖受淋水影響發(fā)生遇水軟化，誘發(fā)局部失穩(wěn)，進(jìn)而在井幫位置形成空洞。該發(fā)現(xiàn)明確證實(shí)了擴(kuò)孔過程中軟弱地層井筒段發(fā)生了局部失穩(wěn)，驗(yàn)證了本文提出的基于強(qiáng)度折減法的井幫圍巖穩(wěn)定性評價(jià)方法的有效性。

實(shí)地調(diào)查經(jīng)臨時(shí)隨鉆支護(hù)工藝處理后的井筒段，發(fā)現(xiàn)井幫圍巖封閉效果良好。臨時(shí)襯砌層平均厚度達(dá)到3 cm，臨時(shí)支護(hù)段未再次發(fā)現(xiàn)空幫破壞現(xiàn)象，證明了該處理措施的工程實(shí)用性。

5 結(jié) 論

以李家壕煤礦回風(fēng)暗立井工程為案例，深入分析了煤礦井田采用反井鉆井法施工大直徑井筒時(shí)影響井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對于圍巖穩(wěn)定問題，反井?dāng)U孔過程中圍巖的自穩(wěn)能力是保證井筒穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文采用強(qiáng)度折減法，提出了一種井幫圍巖穩(wěn)定性定量評價(jià)方法，通過數(shù)值模擬確定圍巖極限自穩(wěn)狀態(tài)的強(qiáng)度折減系數(shù)k0，并以此作為圍巖的穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)圍巖穩(wěn)定系數(shù)大于k0時(shí)，認(rèn)為圍巖能夠保持自穩(wěn)，當(dāng)小于k0時(shí)，則存在局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。為解決工程實(shí)際問題，提出了預(yù)防空幫失穩(wěn)的工程處理措施，在擴(kuò)孔階段實(shí)施隨鉆臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)圍巖的快速封閉。通過對實(shí)際工程反井?dāng)U孔過程的持續(xù)監(jiān)測及后評估，驗(yàn)證了本文所提出井幫圍巖穩(wěn)定性定量評價(jià)方法及工程處理措施的有效性。