侧压力分摊法在超深井建设中的应用

邱建辉

（紫金（厦门）工程设计有限公司，福建 厦门 361016）

0 前言

井筒是地下矿山的关键通道，它担负着整个矿井生产的提升任务，提出有用矿石和废石，运入生产材料和设备，它是生产和作业人员的出入口。在井巷工程结构中，井筒属于一级建筑物，而井壁是支撑井筒周围水土压力的重要结构。基于这种情况，井壁结构在整个生产服务过程中必须保证绝对安全。随着浅部资源的消耗，越来越多的矿山开采逐渐向深部过渡；此外随着开采工艺水平提高，采矿规模不断增大，相应的设备配置空间需求也逐渐变大，对井筒的深度和断面也提出了更高的要求。由此配置的大断面超深井面临着深部高地压、地热和可能存在的高水压等不利因素[1]；在满足安全生产和提升规模的条件下，如何确定合理的支护形式是超深井井壁支护结构设计中的难题。该文以某铜矿新副井为例，研究超深井基岩段支护设计面临的问题及解决办法。

1 项目实施前存在的问题

新副井井筒净断面直径7.5m，井深1277m，井筒分为两段，分别为井颈段和基岩段，该设计主要依据《有色金属矿山井巷工程设计规范》（GB 50915—2013）、《煤矿立井井筒及硐室设计规范》（GB 50384—2016）以及《新编矿山采矿设计手册（井巷工程卷）》等。根据《有色金属矿山井巷工程设计规范》规定，当井筒处在中等稳定以上且工程地质和水文地质条件简单的岩层中时，可采用类比法或经验数据确定井壁支护厚度。当井深小于600m时，基岩段井筒混凝土井壁厚度可以按表1确定[2]；当深度大于600m时，宜加大井壁厚度或提高混凝土强度等级。

表1 基岩段井壁厚度经验值

如果井筒深度在600m以内，以上井壁厚度经验值基本可以保证井壁结构的稳定，但新副井深度远大600m，仅靠工程类比法和经验数据，可能造成支护强度不够和井壁开裂破坏，影响矿山的生产运营，甚至导致重大损失，应该采用理论计算与工程类比相结合的方法确定合理的支护形式。

规范GB 50384—2016规定，新副井基岩段井壁按照平面挡土墙理论公式计算，即通过传统侧压力系数法确定井壁荷载，使计算得出的井壁厚度随深度成幂函数关系增加[4]，且计算中不考虑水平应力，对围岩自承能力不足，计算得出的井壁荷载偏大，可能导致支护厚度过大，进而形成支护成本浪费。

2 问题的分析与解决

2.1 井筒断面结构形态

对常规竖井断面形状的选择主要考虑矿井服务年限、通风要求、地质条件和建设成本等因素，竖井断面结构主要为矩形和圆形。对超深竖井而言，其井筒围岩不仅受自重应力和附加应力的作用，同时在井筒深部，其井筒围岩受水平地应力（原岩应力达到95MPa～135MPa）[3]、重复荷载和爆破震动等叠加应力作用，导致井筒开挖后，当其围岩承受的叠加应力超过井筒围岩强度时，导致井筒可能产生弹性变形、塑性破坏和塑性破坏，甚至形成井筒围岩失稳破坏、坍塌和岩爆灾害。

早期浅埋竖井（深度小于600m）断面多采用矩形断面井筒结构，但随着竖井开凿深度的增加，井筒围岩承受的自重应力、附加应力和最大水平应力进一步增加，在矩形井筒断面拐角处产生高应力集中，诱致井筒围岩产生破坏，矩形断面设计逐渐被淘汰。新副井采用圆形断面，井筒断面结构形式如图1所示，其能够满足抵抗作用于井壁的高应力要求。

图1 井筒断面结构形式（单位：mm）

2.2 按传统侧压力系数法确定井壁压力

采用《煤矿立井井筒及硐室设计规范》[4]中的基岩段井壁所受径向荷载公式计算井壁压力，计算结果如公式（1）和公式（2）所示。

式中：Ps n，k、PX n，k为第n层岩层顶底板作用井壁上的均匀荷载标准值（MPa）；h1、h2…hn为各岩层厚度（m）；h1、h2…hn为各岩层的重力密度（MN/m3）；γ1、γ2…γn为各岩层重力密度（MN/m3）；An为岩（土）层水平荷载系数，可按规范GB 50384—2016表6.2.3取值；ϕn为第n层岩层内摩擦角（°），以井筒工勘检查钻孔资料为准，可按规范GB 50384—2016表6.2.3取值。结合新副井工勘报告提供的各个岩层厚度、重力密度和内摩擦角可以计算出岩土层对井壁侧向压力，计算结果见表2。

表2 岩土层对井壁侧向压力计算表

根据表中计算结果可以看出，侧向压力随井筒深度成幂函数关系增加，而在实际工程条件下，井筒的掘进为围岩变形提供了自由面，原岩应力场发生重新分布，达到新的静力平衡后，围岩可以发挥自身承载能力，与井壁共同承担井筒开挖后的二次应力[5]，按岩层侧压力系数法随着井深一味叠加侧压力是不合理的。

2.3 采用侧压力分摊法合理确定井壁压力

开挖活动破坏了原岩的原始应力平衡状态，导致应力需要重新分布以达到新的平衡。超深井中高应力和高水压的存在单靠浇筑混凝土井壁难以有效抵抗，经济性差。当处于高应力地层时，维护井巷稳定不能硬抗，应先采用柔性支让围岩的高应力得以部分释放，之后再进行刚性支护。为此需要采用（喷）锚网对爆破后暴露的围岩先进行一次让压支护，不仅有利于预防岩爆伤害和保障施工安全，也有利于降低永久支护强度、减少支护厚度和保证混凝土井壁质量；同时适当提高混凝土强度等级，不仅可以减少井壁厚度和开挖量，还可以增强井壁的抗渗性能。

柔性支护“以柔克刚”，在有效抵抗和释放原岩高应力的同时，还能发挥围岩自身的承载能力，使刚性支护体与柔性支护体共同承载和维护井壁稳定。支护设计 应充分发挥围岩自身的承载能力，使围岩与支护体共同承载，令井壁支护结构优化、合理、经济和安全。

根据研究及工程经验，围岩可通过实施锚网喷等首次支护来加大自承能力，从而提高“围岩+首次支护”对侧压力的分担比例，进而减轻作为永久支护的井壁荷载；“围岩 + 首次支护”释放荷载在当围岩等级为Ⅳ级时，分担比例为60%～80%；当围岩等级为Ⅴ级时，分担比例为20%～80%[6]。

根据新副井工程条件，基岩段确定采用锚网喷首次支护+混凝土二次支护，其中锚杆规格采用螺纹钢22m×2.5m，间距1.0m×1.0m，混凝土等级为C45，“围岩+首次支护”分担比例按75%考虑，经过验算，分担折算后的最底层侧压力Pk=1.46MPa。

2.4 确定井壁厚度

采用《煤矿立井井筒及硐室设计规范》[4]中拟定式计算井壁厚度，如公式（3）所示。

式中：t为井壁厚度（m）；rn为计算处井壁内半径（m）；fs为井壁材料强度设计值（MN/m2）；fc为混凝土轴心抗压强度设计值（MN/m2）；fy为钢筋抗压强度设计值（MN/m2；P为计算处作用在井壁上的设计荷载计算值（MPa）；vk为结构安全系数，该设计取1.35。

公式中井壁P通过侧压力系数计算求得，将其余工程实际数据代入求得公式（4）～公式（6）。

式中：fc为混凝土轴心抗压强度设计值（MN/m2）；vk为结构安全系数，该设计取1.35。

根据以上计算结果，新副井基岩段井壁厚度为550mm。

2.5 采用荷载分担方式后的井壁复核性验算

2.5.1 环向稳定性验算

依据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》[4]，保证井壁环向稳定应符合下列基本条件。

素混凝土井壁如公式（7）所示。

井壁环向稳定性如公式（8）所示。

式中：L0为计算处井壁圆环计算长度（m），L0=1.814r0；t为井壁厚度（m）；r0为计算处井壁圆环中心半径（m），r0=（rn+rw）/2；rn为计算处井壁内半径（m）；rw为计算处井壁外半径（m）；vc为泊松比，vc=0.2；Ec为混凝土弹性模量，（N/mm2）。

式中的井壁厚度通过拟定公式计算求得，将其余工程实际数据代入求得公式（9）和公式（10）。

由此可见，新副井基岩段550mm厚混凝土井壁满足井壁环向稳定要求。

2.5.2 强度验算

根据以上计算数据，混凝土厚度t=0.55m，井壁圆环中心半径为4.025m，即t=0.55m≥r0/10=0.4025m。

按照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》[4]规定，当井壁厚度t≥r0/10时，混凝土井壁按厚壁圆筒井壁验算，井壁圆环截面轴向力如图2所示。

图2 井壁圆环截面轴向力计算简图

井壁圆环截面切向应力计算如公式（11）所示。

式中：σt为井壁圆环截面切向应力（MPa）；rn为计算处井壁内半径（m）；rw为计算处井壁外半径（m）；P为计算处作用在井壁上的设计荷载计算值（MPa）。

公式中井壁侧压力P通过侧压力系数计算求得，将其余工程实际数据代入求得公式（12）。

由此可见，当新副井基岩段素混凝土井壁均匀受压时井壁圆环截面承载力满足规范要求。

3 新副井工程现状

新副井总深1277m，目前施工已达1050m，未出现井壁混凝土表皮剥落和掉渣等不利情况，也不存在井壁裂缝和钢筋弯曲变形等现象，井壁结构安全可靠。与传统纯C25混凝土支护方式相比，采用荷载分摊方法，锚喷首次分担+混凝土二次分担支护，混凝土等级增加到C45，提高了井壁支护强度，可减少支护厚度1/3～1/2，减少围岩开挖量10%～15%，可以节约40%以上的混凝土用量，加快施工速度2～4倍[3]，总体降低建设成本30%以上，较好地控制了井筒建设成本。

由此可见，侧压力分摊法在超深井建设中的应用可靠。

4 结语

该设计解决了在超深井设计中如何合理确定基岩段支护参数的问题，具体解决步骤如下：1）随着井深超过600m，《有色金属矿山井巷工程设计规范》给出的井壁支护经验值不再适用于设计，类比性的设计方法已不能科学地解决深井设计问题，该设计明确了必须采用理论计算的方法确定井壁结构，增加井壁安全设计储备；2）考虑井壁受高地压和地热等不利因素影响，井壁采用高等级混凝土，根据侧压力分摊法计算得出的井壁压力结果计算井壁厚度和内力，对井壁稳定性和强度进行复核性验算，最终确定井壁支护设计参数，增加井壁安全设计储备；3）通过分析，明确了传统侧压力系数计算法具有一定的局限性，具体到深井工程实际中，一定要克服传统的单纯承压思想，采用侧压力分摊方法，充分利用围岩自身强度以及首次锚网喷支护分担作用来计算井壁压力，使井壁结构经济合理，避免设计的井壁过于厚大，节约了投资。