荊國(guó)業(yè)，尹 俊，韓 博，劉文敬

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略實(shí)施對(duì)煤炭資源的需求與日俱增，這使得地下空間理論和施工技術(shù)得到較好的發(fā)展和完善[1-4]。立井是礦山的咽喉，目前立井支護(hù)施工仍離不開(kāi)人工操作，隨著立井開(kāi)拓和施工技術(shù)的深入發(fā)展，深部基巖的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境帶來(lái)的安全問(wèn)題也越發(fā)突出。因此，合理可靠的分析研究方法對(duì)改善圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題和優(yōu)化立井支護(hù)工藝有著重要意義。

反井鉆進(jìn)是一種由下向上掘進(jìn)立井或斜井的施工方法[5-7]，適用于在巖性膠結(jié)程度高、整體性較好的巖層進(jìn)行快速掘進(jìn)。自1962年美國(guó)制成第一臺(tái)反井鉆機(jī)以來(lái)，反井鉆機(jī)和鉆進(jìn)工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)600 m鉆進(jìn)深度和5.3 m大直徑鉆進(jìn)[8]，大直徑反井施工工藝[6]包括：導(dǎo)孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、井筒刷大和井筒支護(hù)。在支護(hù)階段，多用錨噴(錨桿+網(wǎng)片+噴射混凝土)進(jìn)行臨時(shí)或永久支護(hù)，能有效防止井壁巖體松動(dòng)冒落，限制圍巖的變形發(fā)展，改善井壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

當(dāng)前，錨噴支護(hù)已被大量井巷工程[9-13]采用，但反井支護(hù)中使用的錨噴支護(hù)方法主要是基于工程經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)比，可能存在支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)于保守、安全系數(shù)過(guò)高的問(wèn)題。為避免此類(lèi)問(wèn)題，可采用數(shù)值分析方法進(jìn)行理論分析，驗(yàn)算設(shè)計(jì)的合理可靠性，指導(dǎo)工程施工[14-19]。

反井由于工法的特殊性，穿越的地層多樣且圍巖強(qiáng)度差距大，單純按照經(jīng)驗(yàn)施工則難以保證工程安全和實(shí)現(xiàn)成本可控。因此，采用數(shù)值分析方法對(duì)反井錨噴支護(hù)體系進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，可在理論層面彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比設(shè)計(jì)的不足，驗(yàn)算和提升設(shè)計(jì)的可靠性。本研究依托安平煤業(yè)礦區(qū)回風(fēng)立井工程，對(duì)開(kāi)挖后的圍巖自穩(wěn)定、錨噴支護(hù)效果進(jìn)行分析，從而改良支護(hù)方案。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性。

1 工程概況

安平煤業(yè)位于山陰縣城西北約35 km處，地表大面積被第四系黃土覆蓋，僅在溝谷中有少面積基巖出露，出露地層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組。二盤(pán)區(qū)將接續(xù)一盤(pán)區(qū)采掘，根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，礦井目前存在井筒通風(fēng)能力不足，二盤(pán)區(qū)回采區(qū)域通風(fēng)線路長(zhǎng)，負(fù)壓大等問(wèn)題，需新增一個(gè)后期回風(fēng)井以解決礦井通風(fēng)問(wèn)題。此后期回風(fēng)立井位于主井工業(yè)場(chǎng)地，凈直徑5 m，凈斷面面積19.63 m2。井口標(biāo)高為+1569.919 m，井底標(biāo)高為+1425.500 m，垂深143 m。井筒內(nèi)裝備封閉式梯子間，擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)兼做安全出口?；仫L(fēng)立井工程采用反井鉆機(jī)鉆井法，擴(kuò)孔直徑5.3 m。表土及風(fēng)化基巖段約8 m，采用鋼筋混凝土井壁支護(hù)，基巖段井壁采用錨噴掛網(wǎng)支護(hù)，噴層厚度150 mm，最終形成表土及風(fēng)化基巖段凈徑5.3 m、基巖段凈徑5.0 m的井筒，井筒支護(hù)斷面如圖1所示。井筒穿越的巖層以泥巖、砂巖為主，井筒穿越的部分巖性斷面如圖2所示，隨著深度增加，圍巖強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，井筒地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。

圖1 井筒支護(hù)斷面(mm)

圖2 部分?jǐn)嗝鎺r性分布

2 計(jì)算參數(shù)及有限元模型

2.1 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)初步施工方案，確定各層圍巖和擬使用支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告將擬研究地層分為三層。豎井直徑5.3 m，開(kāi)挖后采用?22高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿進(jìn)行初支，L=2400 mm，立井全長(zhǎng)支護(hù)，間排距為800 mm×800 mm，每排布置20根錨桿并采用“梅花”型布設(shè)，進(jìn)行巖面整形后掛網(wǎng)噴射150 mm厚的C20混凝土形成內(nèi)徑為5 m的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 巖體及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 有限元模型

2.2.1 模型參數(shù)及邊界條件

豎井開(kāi)挖成孔后，周?chē)鷰r土體中應(yīng)力受到擾動(dòng)，并在圓孔附近一定區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力集中。為使應(yīng)力集中區(qū)域不受邊界范圍影響，工程數(shù)值模擬一般取豎井直徑的5～6倍作為水平方向尺寸[17]。本次計(jì)算模型中取x和y向各30 m，深度方向z為135 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算采用1/4模型，本次模型在四個(gè)側(cè)面采用法向約束，底面全約束，頂面為自由面并承受上部8 m深表土荷載。

錨桿加固后的巖體強(qiáng)度按照下式計(jì)算[20，21]：

式中，Vt為強(qiáng)度容積系數(shù)；T為錨桿拉力，kN；a、b為錨桿水平、垂直間距，m；h為錨桿有效長(zhǎng)度，m。

采用巖體抗壓強(qiáng)度與彈性模量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為[22]：

式中，E為巖體彈性模量，GPa；Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

巖體及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2.2 模型參數(shù)及邊界條件

采用ANSYS18.0軟件進(jìn)行立體建模計(jì)算。巖體采用理想彈塑性破壞準(zhǔn)則(Drunker-Prager準(zhǔn)則)，混凝土采用Miso本構(gòu)模型。巖土部分上覆8 m表土采用荷載方式施加，巖土體和混凝土分別采用Solid45和Solid185單元，錨桿采用Link180單元。為充分考慮噴射混凝土和巖面的接觸作用和位移協(xié)調(diào)，在兩類(lèi)材料的接觸面設(shè)置接觸對(duì)并賦予摩擦系數(shù)，同時(shí)在不同材料屬性的巖土層之間設(shè)置接觸單元。模型采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有節(jié)點(diǎn)176956個(gè)，單元175150個(gè)。

3 圍巖自穩(wěn)定分析

3.1 地應(yīng)力平衡

實(shí)際開(kāi)挖前，場(chǎng)地早已完成了重力固結(jié)，為消除巖土體在重力場(chǎng)下的初始位移和應(yīng)變，同時(shí)保證土層結(jié)構(gòu)間的相互作用力不受影響，必須在開(kāi)挖前進(jìn)行地應(yīng)力平衡。利用ANSYS對(duì)本工況進(jìn)行地應(yīng)力平衡后的位移與豎向應(yīng)變數(shù)量級(jí)均達(dá)10-6，應(yīng)力場(chǎng)在平衡前后保持不變，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步分析。

3.2 圍巖自穩(wěn)定分析

模擬開(kāi)挖過(guò)程，將混凝土、內(nèi)層土體和錨桿單元“殺死”，施加重力荷載和上覆表土荷載，求解后得到圍巖在重力場(chǎng)下的位移、應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 圍巖在重力場(chǎng)下的位移和應(yīng)力

圍巖總體呈上軟下硬分布，上部圍巖主要為泥巖，埋深較淺且在開(kāi)挖后變得松散，中部和下部圍巖主要由各類(lèi)砂巖組成，硬度高且呈塊狀，所以圍巖在開(kāi)挖后受到的應(yīng)力擾動(dòng)影響程度為上部圍巖強(qiáng)度最低，其次是中部，最小是下部，同一性質(zhì)巖層從上到下的擾動(dòng)范圍也在減小。

1)位移分布特征。水平位移對(duì)稱(chēng)分布，最大為2.92×10-4m，豎向位移最大為8.28×10-5m，結(jié)構(gòu)的總位移由水平位移控制。隨著深度增加，距離開(kāi)挖孔口較遠(yuǎn)處的圍巖總位移呈逐漸減小的趨勢(shì)。

2)應(yīng)力分布特征。水平應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布，洞口處圍巖各主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，其絕對(duì)值大小隨深度增加而上升，同豎向應(yīng)力均在井底取得最大值，分別為水平向-1.68 MPa、豎向-3.41 MPa(負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力)。另根據(jù)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果可知圍巖處于彈性工作狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放會(huì)造成巖土體產(chǎn)生向著孔口方向的水平位移，在未設(shè)支護(hù)的情況下，井壁圍巖產(chǎn)生一定量的水平位移，總體穩(wěn)定性較好，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)放松安全系數(shù)，但需進(jìn)一步確定支護(hù)體系在各基巖段發(fā)揮作用的程度，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化。

4 錨噴支護(hù)效果分析

4.1 錨噴支護(hù)

模擬全斷面支護(hù)。將支護(hù)單元激活參與計(jì)算，“殺死”開(kāi)挖部分的土體單元，荷載施加同上步，求解得到支護(hù)后的圍巖-錨噴結(jié)構(gòu)體系的位移、應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 錨噴支護(hù)后圍巖位移、應(yīng)力分布

根據(jù)圖4(a)、(b)可以看出錨噴支護(hù)后的結(jié)構(gòu)位移最值變小。為便于對(duì)支護(hù)后的圍巖位移變化特征進(jìn)行分析，由淺至深選取6個(gè)深度位置，每個(gè)深度位置選取2個(gè)特征點(diǎn)共12個(gè)特征點(diǎn)提取位移數(shù)據(jù)進(jìn)行錨噴聯(lián)合支護(hù)效果考核，結(jié)果如圖5所示。

圖5 錨噴支護(hù)后特征點(diǎn)位移變化

1)位移變化特征。支護(hù)后圍巖水平方向位移的變化數(shù)據(jù)如圖5所示，由于地應(yīng)力在豎向已平衡，支護(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)z向的限制作用極小，故不對(duì)其進(jìn)行分析。與開(kāi)挖后未設(shè)支護(hù)對(duì)比，錨噴支護(hù)對(duì)圍巖的加固作用主要體現(xiàn)在水平方向的位移上，其位移限制程度最大達(dá)51.37%，位于上層較軟部分圍巖，并且特征點(diǎn)位移的減少程度在同一深度水平方向相近，在深度增加的方向顯著降低(最深處達(dá)11%～12%)，這是因?yàn)樯畈繃鷰r較淺層剛度大、強(qiáng)度高、自身穩(wěn)定性好，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)依賴性降低，導(dǎo)致錨桿與錨固劑的作用受限。此外對(duì)比特征點(diǎn)結(jié)果可知，3、4兩個(gè)特征點(diǎn)處于同一深度，受開(kāi)挖擾動(dòng)較大，需要在支護(hù)前后重點(diǎn)考核。

特征點(diǎn)的主應(yīng)力最值比較如圖6所示。由圖6可知，錨噴支護(hù)主要是通過(guò)減小圍巖最大主應(yīng)力(增大絕對(duì)值)來(lái)改善圍巖總體受力情況。圍巖結(jié)構(gòu)所受三個(gè)主應(yīng)力的最值在支護(hù)前后的變化對(duì)比見(jiàn)表2，由于巖石材料抗壓與抗拉強(qiáng)度差距較大，破壞主要由拉應(yīng)力引起，利用第二強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力校核[23]，錨噴支護(hù)后的圍巖材料受力狀況得以改良，增加了圍巖特別是上部泥巖的安全系數(shù)，在實(shí)際施工中可以更好避免由于軟弱層破壞帶來(lái)的問(wèn)題。

表2 支護(hù)前后圍巖主應(yīng)力最值比較

圖6 錨噴支護(hù)后特征點(diǎn)應(yīng)力變化

錨桿在支護(hù)中均承受拉應(yīng)力，于上部泥巖底達(dá)到最大值5.11 MPa，圍巖-圍巖與圍巖-混凝土之間的作用力通過(guò)錨桿-錨固劑聯(lián)合體傳遞，對(duì)應(yīng)錨桿產(chǎn)生的應(yīng)變值為0.00255%，未達(dá)到其材料承受限值，因此可以選用更加適合本工況的錨桿。

由于水平應(yīng)力作用和結(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)，部分基巖段的混凝土支護(hù)產(chǎn)生了塑性區(qū)，處于彈塑性工作階段，但等效塑性應(yīng)變最大值僅為0.00509%，并未產(chǎn)生裂縫，不足以產(chǎn)生局部破壞導(dǎo)致失穩(wěn)，若遇應(yīng)變值較大可通過(guò)加厚噴層[19]和調(diào)整支護(hù)材料參數(shù)進(jìn)行改善。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)立井圍巖位移和應(yīng)力場(chǎng)有明顯的改善作用，但對(duì)不同性質(zhì)的圍巖的支護(hù)效果不同，可根據(jù)本步分析進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化，節(jié)省工程成本。綜合來(lái)看，該支護(hù)結(jié)構(gòu)可作為立井圍巖的臨時(shí)支護(hù)或永久支護(hù)使用。

4.2 支護(hù)方案優(yōu)化

對(duì)錨噴支護(hù)體系中的“噴層”進(jìn)行單獨(dú)的支護(hù)分析，模擬僅噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)的情況，所得結(jié)果如圖7所示。在0～-40 m基巖段，特征點(diǎn)3、4處的比重顯著降低，經(jīng)過(guò)對(duì)比兩個(gè)特征點(diǎn)的位移變化可知，錨桿對(duì)于較軟圍巖和軟弱層的位移突變有很好的限制作用，并且不能被噴射混凝土替代；同一性質(zhì)的基巖段隨著深度增加，混凝土支護(hù)比重有較小程度的降低；在圍巖性質(zhì)與混凝土材料性質(zhì)接近時(shí)，比重上升至接近100%，此時(shí)錨桿在體系中的作用并不明顯，因此可考慮減少或取消該部分布設(shè)的錨桿?？紤]到上部圍巖較軟、存在部分軟弱層、粘聚力較低的工況，不減少0～-76 m基巖段錨桿；下部圍巖等級(jí)高，變形模量大，不再布設(shè)錨桿。

圖7 噴射混凝土支護(hù)效果占錨噴支護(hù)效果的比重變化

5 現(xiàn)場(chǎng)變形實(shí)測(cè)

為了進(jìn)一步觀察錨噴支護(hù)后結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，在井壁支護(hù)施工時(shí)按照數(shù)值模擬方案選取相同數(shù)量的斷面進(jìn)行應(yīng)變和壓力測(cè)量，采用VWS-15M型應(yīng)變計(jì)和VWE-4型土壓力計(jì)，在每段支護(hù)施工前預(yù)埋入圍巖，由于支護(hù)施工周期短，最快可實(shí)現(xiàn)每天支護(hù)5～6 m，本工程監(jiān)測(cè)斷面的傳感器布控在一月內(nèi)完成。布控完成后持續(xù)監(jiān)測(cè)30 d。傳感器布置如圖8所示，所得數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 傳感器布置

圖9 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較有限元分析結(jié)果稍大，曲線變化趨勢(shì)一致。

分析可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移結(jié)果偏大的原因是上部泥巖地層巖性較差，蠕變歷程久，并且在開(kāi)挖后受擾動(dòng)明顯、局部巖體破碎及少量涌水等因素所致，這些因素在有限元分析中未能得到提現(xiàn)和充分考慮。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力數(shù)據(jù)偏大，是由于錨噴支護(hù)體系對(duì)圍巖有主動(dòng)支護(hù)的作用，且混凝土在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度期間的溫度應(yīng)力釋放也對(duì)圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生了影響。

6 結(jié) 論

1)安平煤業(yè)礦區(qū)回風(fēng)立井反井工程在錨噴支護(hù)條件下，立井圍巖的水平位移改善程度最大可達(dá)51.37%，應(yīng)力場(chǎng)改善則主要體現(xiàn)在圍巖最大主應(yīng)力的減小，將拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

2)本工程反井支護(hù)的原錨噴方案存在冗余，應(yīng)根據(jù)圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，文中采取了減少錨桿布置的措施，在保證支護(hù)強(qiáng)度的前提下縮短了支護(hù)施工周期、節(jié)省了工程成本。

3)數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬方法可為反井支護(hù)施工提供理論支撐，指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)，使圍巖受力特性更為直觀、錨噴支護(hù)布置更為合理。