千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化特征研究_周禹良.pdf

第卷第期建井技术年月？试验研究？千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化特征研究周禹良”，贺文，向俊兴，杨雪（北 京中煤 矿山工程 有限公司，北 京 ；矿山深井建设技 术国家工程 研 究中心，北 京 ；中 国矿业大 学（北 京）力学与建 筑工程 学院，北 京 ）摘要：为了研究凿井 开挖卸荷 对千米竖井注浆帷幕堵水性能的影响，采用理论 分析和数值 模拟 方法研究了竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化特征。建立了轴对称荷载条件下 竖井注浆帷幕和外部 岩体的组合圆筒模型，采用厚壁圆筒理论对竖井注浆帷幕围岩进 行了弹塑性分析，推导了竖井注浆帷幕塑性劣化区半 径计算公式，得到了井筒开挖卸荷后注浆帷幕围岩二次应力分布特征 和围岩响应曲线。以毛坪矿千米级盲竖井为案例，分析 得到开挖卸荷后，竖井注浆帷幕围岩塑性劣化区半 径为，峰值切向应力 为，最大应力集中系数为。结果表明：凿井 开挖卸荷会导致注浆帷幕产生较大的塑性劣化范围，明显减小有效堵水帷幕厚度，不 利于保证注浆帷幕堵水 效 果；竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化半 径对 支护力敏感，增 加支护力可有效控制注浆帷幕围岩塑性劣化范围，建议在 凿井过程中及时支护，避免注浆帷幕围岩劣化范围继续扩大。论文研究成果可为千米竖井 井筒基岩含水层注浆堵水 提 供技术参考。关键词：深 部开采；千米盲竖井；水害防 治；注浆帷幕；开挖卸荷中 图分类 号：；文献标识码：文章编 号：（）卜 ，（，丄 ，？（：，丄 ，（）丄 ，？（）：，？，收 稿日期 修回日期：丄责任编 辑：景 惧斌：丄丄 基金项目：国家自然 科 学基 金资助项目（）；天地科 技股份 有限公司科 技 创新创业资金专 项 资助项目（）作者 简介：周禹良（），男，四川巴 中人，博士研 究生，助理研 究员。：引用格式：周禹良，贺文，向俊 兴，等千 米 盲竖井注 浆 帷 幕围岩塑性 劣 化 特 征 研 究建井技 术，（）：（），（丄）：第期周禹 良，等：千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化 特征研究？）：？：沿 ，？：；？；：？：；引言井筒水是深竖并建设中最为棘 手的难：趨之一，春象：生謂水畺就：大水淹弁饿，将截成大的翁趣失？严重數响建井工龜。有 软封堵裏岩水長是保证弁筒安全快速掘砌的关健。目前预注浆技术是封堵井筒深部基岩含水的生荽工法？，注浆帷暮嚴利用窩压柱德充填地层导水適，道而形成的一种人改性的地质体看并开按前迕楽帷幕处初始应力警衡 状态，爵弁違成井筒开挖轮廓面岩径向力与检移约束卸除导骛注浆堵水 帷幕围岩变形破坏开挖卸荷将造成庚岩注浆帷幕 损伤劣化，导致井筒浆 帷 幕 隔 永 能力降低減羞丧失。因此，幵，展竖并往浆 帷幕 表奔挖卸荷为学特怔研食对井筒防治水尤为：讀要。宙于围爵幵挖卸荷力路径与常规连续加 载情况不闻；其力孝垧座湘破坏机理也存在较大垄异菌孙擎着对围恭开挖损伤盼髮育特征开展了大遽的研究？然指出开挖扰动基卸荷的实质？但弁未对开挖卸椅软应进行探人分析内学者周小平等研究指出卸荷过程中产生的张裂致导致岩石破坏的主要原；爾黄：润 秋等进行了大理岩卸荷力学性能研究；？认为卸荷：連率和初續属压对看石张性；披具有较大黎响；卢；爾等将瘭破并挖视为态卸荷过趕，研究分析了隧道围岩瞬态卸荷机制，指出瞬态卸荷效应包括围岩卸荷振动和节理卸荷松动两个方面侯公羽售研制了小遒试件围？岩开挖卸荷模拟试验系统？分 别釆用有机玻 璃、石膏勒水泥砂浆制成羼鐵谭试并开屏了巷道厲岩卸荷效应研究，分析了不同鼠里不同卸速率影响下隱若变形破坏特征实现对小型巷道厲翁铽件开挖卸荷的真实模拟。近年来，我德山开舉深：度？齊：乘深部機愈力条件下？开挖卸荷 对骚并主浆帷幕的掼伤破坏将更加明显。一旦开挖卸魯导致注衆帷幕的堵水性能失致，并猗突 氺后弟十分严踅？二狹：堵水难朦极大。固此，开挖卸荷对疆：注：朦帷幕堵水性能的影响是弁筒水害防治的 蠢：要墓础科？学：丨本文：攀用理论分折和数值樓拟方法、研究千米盲貧弈 架堵水帷幕的开楫卸荷效应，分 析了繫裝 帷蕞围岩虛力和变 形分亦特征？为法浆？治千米坚并井筒基：教求害提供技术参考。竖井注浆堵 水 帷 幕开挖卸荷 效应研究竖井法象堵水帷幕爾碧 办学聾异練帷斯挖卸荷力学分祈橇型如所氛竖？繼帷秦挖卸荷龙學翁模邀假设麗并性浆 帷幕为 圆筒形結构，建：惠轴对称条件下竖并隹浆堵水帷幕厲翁力孝模模型为组合圆筒结构，沿 径佝 划分为同心圆环形的注浆堵水帷幕和外部：岩体弁貧开撞 半为鹫建井技术年 第卷井注浆帷幕 外径为；假设外 部岩体远场初始压力 为。，支护 力 为九，且均匀作用在竖井开挖轮廓周边上；凿井开挖将导致竖井注浆帷幕围岩劣化，设塑性劣化区半径为随 着半径的增大，围岩逐渐由塑性状态过渡到弹性状态。井 筒围岩由内至外可分为注浆帷幕塑性劣化区、注浆帷幕弹性区和外 部原岩区。基本方程模型为平面应变问题，可采用极坐标方法求解。距井 筒中心处围岩应力状态可由径向应力和切向应力确定，围岩径向位 移 采用表示。距井 筒中心处 微元体的平衡方程为式（）：几何方程为式（）：式中：为 塑性 应变；（）（）为剪胀角，对于围岩质量较好的岩体，剪胀角，对于中等质量岩体，剪胀角，对于质量较差岩体，剪胀角。根据式（）和式（），可得到式（）的位 移相容性方程（）：（）（）式中：（）由式（）表：（）（）式中：、由式（）表：（）（）？）（）（），（）（，式中：为径向应变；为切向应变。考虑 初始远场静水压力。，模型本构方程为式（）：（）（）（）（）（？汐）（汐）式中：为 泊松比；为 弹性模量。屈服准则弹性区 围岩应力 与位移分析外 部岩体弹性区对于外 部岩体弹性区（），设注浆帷幕外侧边界径向应力在远场压力作用下，围岩应力存在 式（）和式（）的弹性解：（）（）（）户。户。（）（）竖井注浆帷幕围岩破坏 准则采用准则，其表达式为式（）：（）式中：（），（）（），其中，和？）分别为黏聚力 和摩擦角。初始 外 部岩体的 围岩力学参 数采用下标？标识，如内聚力，内摩擦角，弹性模量，对应式（）中的参 数为。注浆帷幕弹性区 围岩力学参 数采用下标标识，如、。，对应式（）中的参 数为。塑性区 围岩总应变可以分成弹性 应变和 塑性应变，考虑与 塑性 应变 相比，弹性 应变 相对较 小。采用非关联 流动准则，得到围岩塑性 应变存在式（）的关系：式中：为距井 筒中心的距离；为竖井注浆帷幕外边界的半径。将围岩应力 弹性解 代人式（），结 合 式（）得到外 部岩体弹性区（）位 移 表达式（）：）（）式中：为外 部岩体弹性模量；为外 部岩体泊松比；？为外 部岩体剪切模量。注浆帷幕弹性区设开挖卸荷后竖井注浆堵水帷幕围岩塑性劣化区边界径向应力 为），根据 厚壁圆筒理论，可得到式（）、式（）和式（）注浆帷幕弹性，（）区（）围岩应力 和位 移弹性解：）（）（）厂）（）（）（）（）第期周禹 良，等：千米盲竖井注浆帷 幕围岩塑性劣化 特征研究（）；（）（）厂（厂生（）（）式中：注浆帷幕内岩体弹性模量；为注浆帷幕内岩体泊松比；）是塑性劣化区边界上的径向应力，与注浆帷幕 外 部弹性区作用在此边界上的径向应力相等。根据平衡方程和相容性条 件，在注浆帷幕弹性区与 和外 部原岩区交界面上（），式（）与式（）计算得到的 围岩径向位 移应相等。据此可以得到式（）注浆帷幕弹性区外边界与 和外 部原岩区交界面上径向应力（）：注浆帷幕塑性劣化区围岩应力对于竖井注浆帷幕塑性劣化区（，），将 式（）代人式（），并 求 解导出的偏微分 方程，应用边界条 件，当，时，（，），。可得到采用破坏 准则时，竖井注浆帷幕围岩塑性劣化区径向应力（）为式（）：（），）（）（），（）（）（）式中由式（）表。（）（）（）竖井注浆帷幕开挖卸荷塑性劣化区外 部为注浆帷幕弹性区，注浆帷幕弹性区与 塑性劣化区在交界面上相互作用。弹、塑性交界面半径为 塑性劣化区半径其上径向应力 为（）。采用式（）并 结 合 式（），可得到式（）注浆帷幕开（）挖卸荷塑性劣化区与 弹性区交界面（）上的注浆帷幕塑性劣化区 围岩应力 与位移分析切向应力：（？）（）（）（）在竖井注浆帷幕弹性区与开挖卸荷塑性劣化区交界面上，（）和（）应满足破坏 准则。将 式（）得到的切向应力代人破坏 准则式（），可得到注浆帷幕弹性区与开挖卸荷塑性劣化区交界面上的径向应力式（）：）（）（）（！）！（）根据式（）计算得到（）后，代人式（）或式（），可得到切向应力？（）。然后通过式（）计算得到径向位 移）。考虑径向应力在塑性劣化区和 弹性区交界面连续的条 件，通过式（）得到塑性劣化区半径上的径向应力应与式（）计算得到的值相等。由此得到塑性劣化区半径表达式为式（）：），（）由于通过式（）得到的塑性劣化半径上围岩径向应力（为 塑性劣化半径的 函数，因此采用迭代法求 解。首 先假定一个然后通过式（）和（）计算径向应力 和 塑性劣化半径，直到满足一定收敛精 度。采用迭代法求得开挖卸荷塑性劣化区半径后，由式（）计算塑性区径向应力，对应的切向应力通过 破坏 准则式（）确定。注浆帷幕塑性劣化区围岩径向变形求 解 非齐次微分 方程（），得到竖井注浆帷幕开挖卸荷劣化区（，）围岩变形计算式（）：（）（）？（）其中（）由式（）表示：（）（）（）（）？（）（，（）？（，）（？）（）千米盲竖井注浆帷 幕开挖卸荷 效应分析工程背景云南彝良毛坪矿线竖井 是我国首条采用预 注浆技术封堵基岩含水层的盲竖井，井 筒开挖荒径，井深。井 筒穿越泥盆系宰 格组白云岩溶 蚀含水层为典型的高水压强富水地层，预 测井 筒涌水量为。为了建井技术 年 第卷（）注浆帷幕平面示意（）注浆钻孔剖面示意图毛坪矿盲竖井注浆帷 幕示意的增大逐步上升至原岩应力；切向应力随半径的增大 先增大后减小，峰值切向应力在塑性区边表竖井 井筒开挖几何和围岩特 性参 数取值外 部岩 体弹 性模量外 部岩 体内聚 力？外 部岩 体摩 擦角）注浆帷幕岩 体弹 性模量注浆帷幕岩 体内聚 力外 部岩 体摩 擦角仰，（）泊 松比 剪胀角（）远 场初 始 应 力井筒 开挖 半径。注浆帷幕 外径 竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷弹塑性响应議魏輪龜围岩二次處力分眷征开挖扰动导敖的力？中是：引发围蚀、片葙等太变形的根本研究歼挖卸萄痏井？浆帷幕風爵二次菝力分布狰征十分重蘩。利用中 的鐘離数据，通过式）、式泊和卡斯键纳方輕计算渴窗難良毛蜱矿綫貪餐并象与未注浆两种状态下围岩的径向霞：力和切向应力？毛坪矿霄靈井浆帷幕开挖卸荷围岩二次应力分布如所示圈給出了參痕浆帷幕与未注衆况下围岩？的径向应力和切向应力分布曲线，从中可出，在浆与嗓窪浆两懵下蟹并围岩蜜力分布特征大致相同径向应力随界 取樓时，切防獻力随的增太迅速上堇峰侓逾为时，铒应力随增大饔慢降至嵐岩處力。未注浆时开挖甸荷纖性半径；浆后？毛坪矿盲竖并控浆堵水帷幕开挖 卸荷邈性劣 化芊容，峰梅遽力为？，秦齒身：中数为为了分析支护力 大小对竖弁注浆帷幕廣麗二次应 力分布特 征的鬱响，取支护力：、，、四种情況进齊折。縛；难进不支护力情况下围岩二次应力分布曲线。可以看出围：卷询歲：力随支护力增大而增大，动支护力可明显政岩应力状况。注浆帷幕围岩峰值切愈力随支护力增太而释低但择幅不钳法楽帷惠围表变形分布特征法浆帷幕岩的变形情况可反映内部的劣化情况。通过式、式）和卡斯特纳方程：计算毛坪矿座？弁浆与未象两种 状态下幵挖甸荷盾收敏变形值其変形分布如 所示从图（可知未注浆时，毛坪矿 豪开挖卸荷后鼠蠢收敛慕甩齒麗堵水与；加固裔，弁繼露擧收鱗降低？不宾护请況卞？竖井注楽帷幕开挖卸脔嵐者径向位移分布情况如樹仆）所宗岩轻变？规防止凿并过中出现水齊寧采用预法浆技木形成围绕并筒的往浆堵水帷幕，如 圈所岽。注浆防治 水工程共设计个形注浆 钻孔？注浆段铕孔落與圈径？注浆帷幕草度分析中主帷蟇及外部岩体力荸？数详见亵媒難井：弁口第期周禹 良，等：千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化 特征研究 （）注衆与未注聚情况（）不同支护力情况图毛坪矿盲竖井注浆帷幕开挖卸荷围岩二次应力分布明显的三段式分布特征，竖井注桨帷幕之外的外劣化区中（），径向位移随半径减小急剧 增部原岩区中（），