伊犁一矿砾石层斜井围岩稳定性现场试验研究

岳中文，孙中辉，2，牛学超，郭东明

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；2.新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271233；3.北京工业职业技术学院,北京 100042)

伊犁一号矿井是位于新疆伊犁矿区，该区第四系表土层中普遍存在巨厚砾石层。砾石土层，既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体，具有物质结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强等独特的工程地质性质和力学性质[1-3]。特别是对于含水砾石土层，更是给矿井建设工程带来了较大困难，施工中引起塌方、片帮等工程事故，使得建井工期加长，建井成本增加，存在施工安全隐患[4]。冻结法是解决此类问题比较好的方法，但是，无论冻结法是用在立井还是斜井上都需要钻凿很多的冻结孔，冻结深度、冻结范围大，冻结施工成本远远比普通法施工大。所以，在地质环境适宜的条件下，将砾石层立井冻结法改变为斜井普通法施工，可以节约大量的建井成本。因此，针对含水厚砾石层普通法施工斜井井筒，必须加强围岩破坏特征的研究，提出合理有效的整治防护方法。

本文通过试验不同的砾石层围岩现场支护方法，研究含水砾石层斜井井筒地压显现特点，试验研究结论可为伊犁矿区建设方案选取的提供参考。

1 试验方案设计

试验回风井净宽6000mm，掘进宽度7000mm，掘进高度6000mm，其中墙高2300mm，拱高3000 mm。材料斜井井筒净宽4500mm，掘进宽度5400mm，掘进高度4600mm，其中墙高1900mm，拱高2700mm。井筒的临时支护和永久支护与井筒开挖方式保持一致。试验前，对砾石地层围岩物理力学性质进行了试验，依据支护理论并通过综合论证，提出了3套支护设计方案。图1表示井筒地质情况和井筒断面大小。

图1 原型井筒地质情况和巷道断面大小

支护试验设计方案如下：

(1)短段掘砌支护

井筒完成明槽开挖以后，首先采取短段掘砌的支护方式。支护材料为钢筋混凝土，直墙半圆拱形，混凝土厚度为450mm，强度为C30。

(2)临时支护+永久支护

临时支护：采用U25型钢支架，间距0.5～1.0mm。喷浆标号为C20，架棚前喷浆厚度为30mm。永久支护：临时支护长度不超过30m。支护材料、规格及混凝土强度与方案(1)相同。

(3)超前支护+临时支护+永久支护

当围岩稳定性差时，采取该种支护方式[5-7]。根据围岩的稳定状况，其支护方式又分为以下3种：

①围岩较稳定

超前支护：锚杆支护，锚杆的规格类型为直径×长度=φ43mm×1800mm，管缝式，锚杆间距300～500mm。临时支护：U25型钢支架，间距0.5～1.0m。喷浆标号为C20，喷层厚度为30mm。永久支护：临时支护长度不超过20m。支护材料、规格及混凝土强度与方案(1)相同。

② 围岩不稳定

超前支护：小短管支护，短管规格为直径×长度=φ30mm×4000mm，间距300mm，拱部布置。临时支护：U25型钢半圆拱支架，间距0.5～1.0m。喷浆标号C20，初喷厚度30mm，复喷厚度至与U型钢外表面平齐。永久支护：临时支护长度不超过20m。支护材料与方案(1)相同。

③ 围岩极不稳定

超前支护：管棚支护，管棚规格为直径×长度=φ90mm×9000mm，间距300mm，拱部布置。临时支护：U25半圆拱支架，间距0.5～1.0m；挂网规格长×宽=6500×1000mm，网格为长×宽=80×80mm；喷浆标号C20，初喷厚度30mm，复喷厚度至与U型钢外表面平齐。永久支护：临时支护长度不超过2根管棚的长度。支护材料与方案(1)相同。

上述支护设计试验方案中，材料井断面小，临时支护参数间距取大值；回风井断面大，临时支护参数间距取小值。

2 支护试验过程

超前支护锚杆参数与设计方案相同，钻头直径φ42mm。锚杆接茬重复部分不小于400mm。U25型钢临时支护支架排距500～1000mm。钢筋混凝土预制板作为U型钢的背板，长度和棚间距相适应。锚杆超前支护试验井筒20m。临时支护现场如图2所示，永久支护现场如图3所示。

永久支护后无法再进行临时支护巷道变形的测量，所以测试均在混凝土砌碹前结束。临时支护过程完成后设置两个测站，在距离井口73.5m和83m处分别设置1号测站和2号测站。图4表示1#测站安装过程。

有锚杆超前支护段且无水条件下，斜井井筒总体变形量不大，初步判定砾石围岩属于压实砾石层，稳定性较好。同时考虑到在砾石层中打眼困难，开始试验不做超前支护的方案，即第二设计方案。施工至井筒斜长113m处，发现支架变形较小，随后将U25支架改为18#工字钢支架支护，直至材料井斜长250m处，回风井斜长228m处。其间，在回风井和材料井井筒中均设置3个测站。

材料井和回风井施工至井筒斜长250m和228m处先后遇到地层水，地层变为含水砾石层，围岩稳定性变得很差，支护方法不得采用第三种试验支护设计方案的第二种方法，即小短管超前支护，U25半圆拱支架临时支护，富水地层临时支护如图5所示。同时，要保证临时支护的长度不大于15m，加强壁厚充填，及时完成永久支护。在回风井和材料井含水砾石施工段分别设置了6#、7#和8#测站。为了掌握含水砾石层井筒变形规律，特别留出回风井7#测站前后共10m井筒不做永久支护，测试时间将近两个月。

图2 临时支护 图3 混凝土永久支护

图4 无水段1#测站安装 图5 富水段小短管支护

由于现场试验条件的限制，没有实现支护试验方案3的第三种方法。井筒涌水量达到12m3/h后，由于特殊原因，在回风井井筒中曾经采用18#工字钢作为临时支护支架，连续出现3次井筒围岩失稳事故，对施工进度产生了一定的影响。最终，均是参照第3设计试验方案的第2种施工方法成功穿越含水不稳定地层。

3 试验结果分析

3.1 无水砾石地层大断面斜井井筒支护

以回风井井筒支护试验为例加以分析。1#～5#测站均是在无水砾石层井筒中设置，图6～图10是相应的井筒变形曲线。图6和图7分别表示1#和2#测站围岩移近曲线。由图6和图7曲线可以看出，在浅部地层锚杆超前支护的井筒中，井筒掘进后约10天内围岩位移速度较大，为掘进影响阶段，其后巷道变形趋于缓和；顶底板移近量大于两帮移近量，表明巷道变形中，顶底板变形占主要部分。1#测站表示巷道掘进后24天内顶底板和两帮移近量分别为71mm和28mm。2#测站表示巷道掘进后9天内顶底板和两帮移近量分别为57mm和43mm。

图6 1#测站围岩移近曲线图

图7 2#测站井筒周边围岩移近曲线

图8、图9和图10分别表示3#、4#和5#测站围岩移近曲线。3#、4#和5#测站也是设置在无水砾石地层中，但是仅仅采取了临时支护+永久支护的支护方式，其围岩变形级别相差不多，现选择5#测站代表围岩顶底板和两帮移近量加以分析。井筒掘进后约20天内围岩位移速度较大，为掘进影响阶段，其后巷道变形趋于缓和；顶底板移近量同样大于两帮移近量，表明巷道变形中，顶底板变形占主要部分。5#测站表示巷道掘进后26天内顶底板和两帮移近量分别为138mm和99mm。

图8、图9和图10分别表示3#、4#和5#测站围岩移近曲线。3#、4#和5#测站也是设置在无水砾石地层中，但是仅仅采取了临时支护+永久支护的支护方式，其围岩变形级别相差不多，现选择5#测站代表围岩顶底板和两帮移近量加以分析。井筒掘进后约20天内围岩位移速度较大，为掘进影响阶段，其后巷道变形趋于缓和；顶底板移近量同样大于两帮移近量，表明巷道变形中，顶底板变形占主要部分。5#测站表示巷道掘进后26天内顶底板和两帮移近量分别为138mm和99mm。

图8 3#测站井筒周边围岩移近曲线

图9 4#测站井筒周边围岩移近曲线

图10 5#测站井筒周边围岩移近曲线

3.2 富水砾石地层大断面斜井井筒支护

6#和7#测站是在回风井斜长250m处遇到地层水以后设置的测点。其中7#测站测试时间较长，该段围岩变形量图11所示。从图11可以看出，在近2个月的测量过程中，顶底板和两帮移近总量分别达到313mm和236mm。

在现场试验中发现，含水卵砾石地层斜井井筒围岩的地压较大，稳定性很差。施工过程中经常出现片帮等事故。超前支护必须及时，否则容易出现迎头顶板不同程度冒落事故。在采用一段18#工字钢临时支护的回风井斜井井筒中，支护仅能稳定在5～8天左右，迎头后方连续4次出项冒顶事故。通过分析，均为临时支护强度不足而引起。改用U25型钢临时支护以后，稳定性大都明显改善。

通过比较，发现含水砾石地层斜井井筒支护难度远远大于无水砾石地层。

图11 7#测站井筒周边围岩移近量曲线

3.3 断面不同砾石地层斜井井筒支护特点

在含水砾石地层试验中发现，相同临时支护条件下，两个井筒变形量和地压水平表现相差较大。图12和图13分别表示为垂直深度相当的材料井8#测站与回风井6#测站围岩移近量曲线。

由图12和图13曲线可知，支护方式和支护材料相同、测量时间相当、测试深度相近条件下，材料井8#测站支架代表的顶底板总移近量为183mm，两帮的总移近量为122mm；回风井6#测站支架代表的顶底总移近量为222mm，两帮的总移近量为161mm。回风井断面积约是材料井的1.7倍，回风井支架代表的顶底板移近量约为材料井的1.21倍，回风井支架两帮移近量约为材料井的1.32倍。

在含水砾石地层阶段，一旦井筒超前支护不及时，裸露井筒顶板卵石很容易成块掉落，但材料井比回风井自稳时间长。支架棚腿穿鞋面积相同条件下，材料井棚腿插入底板深度小，而回风井棚腿插入深。施工中，为了防止回风井棚腿严重下沉，在井筒两帮底部做出钢筋混凝土条形基础，支架棚腿立在条形基础之上，而材料井棚腿仍然采用穿鞋的方式。可见，相同条件下，砾石层中的大断面斜井井筒比小断面斜井井筒支护难度大得多。

图12 材料井8#测站井筒周边围岩移近曲线

图13 回风井6#测站井筒周边围岩移近曲线

3.4 回风斜井含水砾石段冒顶的类型与原因分析

伊犁一矿的回风井的含水砾石段容易产生冒顶事故，因为是斜井，当临时支架的架与架之间连接力小于下滑力时，支架之间的整体性和稳定性就变得很差；同时由于顶板渗水而离层，支架上方的荷载明显增加；当背板不实时，支架更容易下滑；如果棚腿不是在加固的土层上，抵抗下滑力的能力明显减少。由以上分析可知，回风井工字钢支护试验段的冒顶类型为推垮型。

由上述分析可知，流沙层以下回风井井筒顶板是被水浸透了的。当砾石层含水时，基本上失去了强度，很小的空间都会使其下漏。当有部分背板不严，无论顶部还是帮部，斜井井筒均会出现一定程度的漏冒，只不过漏冒的程度不同而已。这样，回风井的冒顶有漏冒型的特点。

富水砾石层失稳的主要原因是地下水的作用。实际上，上述两种因素都在起作用，从现场观察到的情形可以发现，当有冒顶事故时，几架支架向一个方向倾倒。所以，可以认为含水砾石段回风斜井的失稳属于推垮-漏冒复合型冒顶。

4 结 论

(1)无水砾石层大断面斜井井筒围岩较为稳定，架棚临时支护、钢筋混凝土井壁作为永久支护是有效的支护方法。

(2)在含水砾石层中宜采用超前支护、临时支护和永久支护相结合的支护方法。支护的重点是工作面渗水或涌水治理。影响支护效果的关键因素是渗水量的多少，主要因素为井筒断面大小，相同条件下大断面井筒比小断面井筒变形明显，支护难度大。

(3)斜井井筒自然水流向下，永久支护穿过含水层后如果没有注浆或工作面降水等有效的堵水或导水措施，在壁厚导水和松动圈扩展的共同作用下，其下的井筒都将处在围岩渗水状态，给支护带来极大的困难。因而，砾石土层斜井井筒普通法施工遇到含水层后，要先治水再继续施工，绝对不能不加治理冒险继续掘进。

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