一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法

摘要

本发明公开了一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，属于矿山竖井围岩设计领域。方法包括：确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法；构建二次应力场力学数学模型，推导出二次应力场的一般表达式；确定自重均匀应力场条件下的判定方法：当泊松系数大于1/3、即环向应力大于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为环向应力；当泊松系数小于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为竖向应力；当泊松系数等于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为竖向应力以及环向应力。采用本发明为深竖井井壁设计提供新方法，可充分利用围岩自身承载能力，降低工程造价，并可提高施工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山竖井围岩设计领域，特别涉及一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法。

背景技术

传统的竖井井壁设计理论基于载荷结构法理念，采用弹性力学lame理论公式，是基于平面问题的筒壁力学模型，近年来又提出了基于围岩衬砌共同作用的流固耦合井壁设计公式“包神”设计公式，井筒井壁设计理论有了一定飞跃。但是随着井筒深度加大以及井筒工程跨行业领域的发展，发现表土段与基岩段的井壁设计在理论方法存在诸多矛盾，而且不同类型矿山之间的井筒井壁设计理论差异性也很大，继而发现井筒井壁设计缺乏统一科学的理论基础。此外对比隧道工程，随着深度增加，竖井井筒工程垂直穿越不同地层，围岩压力逐渐增大，围岩分类的设计方法也难适用。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法。所述技术方案如下：

确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法；

构建竖井围岩的二次应力场力学数学模型，推导出竖井围岩二次应力场的一般表达式，得到所述竖井围岩的竖向应力以及环向应力，获取所述竖井围岩的泊松系数以及所述竖井围岩的许用应力强度；

依据库伦摩尔强度理论，确定自重均匀应力场条件下，无支护竖井围岩稳定或破坏问题的判定方法：

当所述泊松系数大于1/3、即环向应力大于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为环向应力；

当所述泊松系数小于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为竖向应力；

当所述泊松系数等于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为竖向应力以及环向应力。

可选地，所述确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法，包括：

平整的工广范围内，上覆地层有n层或深度为位置z

井筒深度z

其中，k----为金尼克自重均匀应力场侧压力系数，k的表达式如下公式1-3：

其中：μ----为垂直深度z处岩体弹性泊松系数，

井筒深度z

其中：定义不均匀系数

可选地，所述推导出竖井围岩二次应力场的一般表达式，包括：

由力学模型对公式(1)进行求解，得到下述公式(2-1)-(2-5)：

τ

其中，λ表示不均匀水平应力系数，k表示金尼克自重均匀应力场侧压力系数；

当λ＝1，r＝r

可选地，所述方法还包括：

对所述竖井围岩进行稳定性分析；

根据对所述竖井围岩的稳定性分析结果，对所述竖井围岩进行支护加固。

可选地，所述对所述竖井围岩进行稳定性分析，包括：

如果第一主应力大于所述竖井围岩的许用应力强度，或所述竖井围岩的许用应力强度与第一主应力的差值小于第一预设阈值，则判断所述竖井围岩处于不稳定状态；

如果第一主应力小于所述竖井围岩的许用应力强度、且第一主应力与所述竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断所述竖井围岩处于稳定状态。

可选地，所述方法还包括：

提出不均匀水平应力场下的竖井无支护围岩稳定性分析公式如下公式(3-1)～(3-3)：

可选地，所述根据对所述竖井围岩的稳定性分析结果，对所述竖井围岩进行支护加固，包括：

当判断所述竖井围岩处于稳定状态时，保持所述竖井围岩呈裸壁状态，或对所述竖井围岩进行薄壁简单支护，或随时所述竖井围岩进行膜壁保护；

当判断所述竖井围岩处于不稳定状态时，对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理。

可选地，所述对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，包括：

对所述竖井围岩进行水平切环操作，所述水平切环操作的深度按包神公式以及最大环向应力进行计算，确定所述竖井围岩的下部井壁衬砌支护参数，确定水平切槽的几何尺寸，按照所述几何尺寸对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理。

可选地，所述对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，包括：

通过在裂隙不发育的稳定岩层设置基岩壁座，对所述竖井围岩进行支护加固处理，其中，所述基岩壁座为壁龛分割式壁座结构或弹簧恒阻式壁座结构。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明公开了一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，首先提出了简易实用矿山竖井围岩原始应力场的构建方法，推导出了竖井壁围岩二次应力场的一般表达式；其次，依据库伦-摩尔岩土强度理论提出了井筒围岩稳定性的判定方法及统一的竖井井壁的设计原理；第三，针对深部基岩井筒，提出控制竖向应力传递，以将环向应力改为主应力为目标的井壁设计方法，提供壁龛分割式壁座以及弹簧恒阻壁座两种隔断竖向应力传递的壁座。此外，本发明还为深竖井施工中可能存在岩崩(爆)灾害事故的防治技术提供了理论参考。本发明提出的竖井井壁设计原理和方法具有一定理论统一性，可适用于全岩土范围的围岩条件判断，可以在确保井筒井壁永久承载能力的前提下，有效减小井筒井壁的衬砌厚度和开挖工程量，加快施工速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建流程图；

图3是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建坐标系构建示意图；

图4是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建壁龛分割式壁座结构的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建弹簧恒阻式壁座的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种对临界流文丘里喷嘴进行校准的方法，该方法应用于校准系统，如图1所示，该校准系统至少包括第一换向阀、第二换向阀、待校准的临界流文丘里喷嘴、测量气体质量的质量测量设备，除此之外，还可以包括气体压力测量设备、温度测量设备、气体流通管道等，这些设备可以用于测量其他的测量参数，例如，气体压力测量设备可以用于测量气体压力这个参数，温度测量设备用于测量温度这个参数。如图2所示，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

本发明提供一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，如图1所示，该方法处理流程可以包括如下的步骤：

步骤101、确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法。

步骤102、构建竖井围岩的二次应力场力学数学模型，推导出竖井围岩二次应力场的一般表达式，得到所述竖井围岩的竖向应力以及环向应力，获取所述竖井围岩的泊松系数以及所述竖井围岩的许用应力强度。

步骤103、依据库伦摩尔强度理论，确定自重均匀应力场条件下，无支护竖井围岩稳定或破坏问题的判定方法：当所述泊松系数大于1/3、即环向应力大于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为环向应力；当所述泊松系数小于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为竖向应力；当所述泊松系数等于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定所述竖井围岩的第一主应力为竖向应力以及环向应力。

可选地，所述确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法，包括：

平整的工广范围内，上覆地层有n层或深度为位置z

井筒深度z

其中，k----为金尼克自重均匀应力场侧压力系数，k的表达式如下公式1-3：

其中：μ----为垂直深度z处岩体弹性泊松系数，

井筒深度z

其中：定义不均匀系数

可选地，所述推导出竖井围岩二次应力场的一般表达式，包括：

由力学模型对公式(1)进行求解，得到下述公式(2-1)-(2-5)：

τ

其中，λ表示不均匀水平应力系数，k表示金尼克自重均匀应力场侧压力系数；

当λ＝1，r＝r

可选地，所述方法还包括：

对所述竖井围岩进行稳定性分析；

根据对所述竖井围岩的稳定性分析结果，对所述竖井围岩进行支护加固。

可选地，所述对所述竖井围岩进行稳定性分析，包括：

如果第一主应力大于所述竖井围岩的许用应力强度，或所述竖井围岩的许用应力强度与第一主应力的差值小于第一预设阈值，则判断所述竖井围岩处于不稳定状态；

如果第一主应力小于所述竖井围岩的许用应力强度、且第一主应力与所述竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断所述竖井围岩处于稳定状态。

可选地，所述方法还包括：

提出不均匀水平应力场下的竖井无支护围岩稳定性分析公式如下公式(3-1)～(3-3)：

可选地，所述根据对所述竖井围岩的稳定性分析结果，对所述竖井围岩进行支护加固，包括：

当判断所述竖井围岩处于稳定状态时，保持所述竖井围岩呈裸壁状态，或对所述竖井围岩进行薄壁简单支护，或随时所述竖井围岩进行膜壁保护；

当判断所述竖井围岩处于不稳定状态时，对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理。

可选地，所述对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，包括：

对所述竖井围岩进行水平切环操作，所述水平切环操作的深度按包神公式以及最大环向应力进行计算，确定所述竖井围岩的下部井壁衬砌支护参数，确定水平切槽的几何尺寸，按照所述几何尺寸对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理。

可选地，所述对所述竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，包括：

通过在裂隙不发育的稳定岩层设置基岩壁座，对所述竖井围岩进行支护加固处理，其中，所述基岩壁座为壁龛分割式壁座结构或弹簧恒阻式壁座结构。

本发明公开了一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，首先提出了简易实用矿山竖井围岩原始应力场的构建方法，推导出了竖井壁围岩二次应力场的一般表达式；其次，依据库伦-摩尔岩土强度理论提出了井筒围岩稳定性的判定方法及统一的竖井井壁的设计原理；第三，针对深部基岩井筒，提出控制竖向应力传递，以将环向应力改为主应力为目标的井壁设计方法，提供壁龛分割式壁座以及弹簧恒阻壁座两种隔断竖向应力传递的壁座。此外，本发明还为深竖井施工中可能存在岩崩(爆)灾害事故的防治技术提供了理论参考。本发明提出的竖井井壁设计原理和方法具有一定理论统一性，可适用于全岩土范围的围岩条件判断，可以在确保井筒井壁永久承载能力的前提下，有效减小井筒井壁的衬砌厚度和开挖工程量，加快施工速度。经济和社会效益十分显著。

本发明提供一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，本发明不考虑环境温度变化、岩体吸水膨胀等特殊地质作用，初始应力场也代表受井筒开挖施工影响很小，可以忽略的边界应力条件；下面有关竖井“井壁”、“井壁结构”的概念，泛指由竖井开挖后裸露的岩土壁，也包括衬砌或一定范围的加固体等，这里将石油和矿山等行业有关“井壁”的概念进行统一。如图2所示，该方法处理流程可以包括如下的步骤：

步骤201、确定基于自重的井筒围岩不均匀原始应力场的构建方法。

一种可行的实施方式中，平整的工广范围内，上覆地层有n层或深度为位置z

井筒深度z

其中，k----为金尼克自重均匀应力场侧压力系数，k的表达式如下公式1-3：

其中：μ----为垂直深度z处岩体弹性泊松系数，

井筒深度z

其中：定义不均匀系数

步骤202、构建竖井围岩的二次应力场力学数学模型，推导出竖井围岩二次应力场的一般表达式，得到竖井围岩的竖向应力以及环向应力，获取竖井围岩的泊松系数以及竖井围岩的许用应力强度。

其中，二次应力场的定义是开挖后的、还没有进行支护或加固的竖井围岩应力场。

一种可行的实施方式中，鉴于井筒尺寸和井筒地表工广场地的的平面范围，基于弹性力学理论及前苏联学者金尼克有关均匀自重应力场理论，建立如图3所示的坐标系，首先建立本发明的以下公理性假说：

1)井筒围岩初始应力场的垂直应力的公理性表达(1-1)：

平整的工广场地范围内，上覆地层有n层或深度为位置z

2)井筒围岩初始应力场的最小水平应力公理性表达(1-2)：

地下某深度z水平的最小水平主应力σ

式中：k----为金尼克自重均匀应力场侧压力系数：

式中：μ----为垂直深度z处岩体弹性泊松系数。

3)井筒围岩初始应力场的最大水平主应力公理性表达(1-4)：

地下某深度z水平的最大水平主应力σ

式中：定义不均匀系数

对竖井围岩建立坐标系，其中，坐标系包括以z轴正向指向地心，最小、最大水平主应力方向为x、y轴的直角坐标系以及r、θ、z正交柱坐标系。

根据坐标系，构建竖井围岩的空间轴对称力学求解的平衡方程，可简化为空间轴对称力学问题，其求解的平衡方程如下：

其中，r，θ、z为正交柱坐标系，ρ表示密度，g为重力常数。

根据上述公理性地假定，可以简化竖井开挖二次应力场求解的定解条件。

参考弹性力学中平面轴对称应力解，以及半空间重力场解，金尼克自重应力场解，就可以求解到一组应力场定解(2-2)～(2-7)，满足应力平衡方程(2-1)。

其中，λ表示不均匀水平应力系数，k表示金尼克自重均匀应力场侧压力系数。

当λ＝1，r＝r

由图3的力学模型求解得出上述数学模型的应力场解答(2-1)至(2-6)(其中压力应力为正，拉应力为负)代入应力平衡方程(2-7)，满足等式检验要求，答案成立。

水平不均匀系数(λ≥1)，由不同地区的井筒井壁衬砌的受力变形的实际观察结构数据分析和研究为基础，而不以现行各种钻孔原位测量为依据，综合反映了诸如复杂构造的赋存、构造应力的残余、岩体的不均质和分布不均匀等因素的影响或作用。

若将水平不均地应力系数设定λ＝1，即均布围岩压力的理想状态，对应的围岩基本是压应力状态，可选择开挖荒径上的应力状态，根据库伦摩尔强度准则判断围岩的稳定性问题。

库伦摩尔强度准则表达(3-1)：

库伦摩尔强度准则可转化成第三强度理论一致的表达式：

当r＝r

τ

τ

τ

根据(3-4)～(3-5)应力场公式，判断最大主应力。

径向应力为零，围岩内缘为判断破环的应力薄弱点，最大主应力可能是竖向应力，也可能是环向应力，需要进行比较：

当λ≠1,时，r＝r

当θ＝0°：

当θ＝90°：

当θ＝45°：

而垂直应力仍然是：

步骤203、依据库伦摩尔强度理论，确定自重均匀应力场条件下，无支护竖井围岩稳定或破坏问题的判定方法。

井筒围岩二次应力场的力学状态较为复杂，应根据岩体泊松比、不均匀水平地压力值来综合判断第一主应力的位置，并且要根据最大压应力值、最大拉应力值，进行综合判断。

1)当泊松系数大于1/3、即环向应力大于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为环向应力，对竖井围岩进行稳定性分析。

一种可行的实施方式中，如果环向应力大于竖井围岩的许用应力强度，或竖井围岩的许用应力强度与环向应力的差值小于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于不稳定状态；如果环向应力小于竖井围岩的许用应力强度、且环向应力与竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于稳定状态。

2)当泊松系数小于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为竖向应力，对竖井围岩进行稳定性分析。

一种可行的实施方式中，如果竖向应力大于竖井围岩的许用应力强度，或竖井围岩的许用应力强度与竖向应力的差值小于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于不稳定状态；如果竖向应力小于竖井围岩的许用应力强度、且竖向应力与竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于稳定状态。

3)当泊松系数等于1/3、即环向应力小于竖向应力时，确定竖井围岩的第一主应力为竖向应力以及环向应力，对竖井围岩进行稳定性分析。

一种可行的实施方式中，如果环向应力和竖向应力均大于竖井围岩的许用应力强度，或竖井围岩的许用应力强度与竖向应力的差值小于第一预设阈值、且竖井围岩的许用应力强度与环向应力的差值小于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于不稳定状态；如果环向应力和竖向应力均小于竖井围岩的许用应力强度、且竖向应力与竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值、且环向应力与竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于稳定状态。

步骤204、对竖井围岩进行稳定性分析，根据对竖井围岩的稳定性分析结果，对竖井围岩进行支护加固。

一种可行的实施方式中，如果第一主应力大于竖井围岩的许用应力强度，或竖井围岩的许用应力强度与第一主应力的差值小于第一预设阈值，则判断所述竖井围岩处于不稳定状态；

如果第一主应力小于竖井围岩的许用应力强度、且第一主应力与竖井围岩的许用应力强度的差值大于第一预设阈值，则判断竖井围岩处于稳定状态。

优选地，提出不均匀水平应力场下的竖井无支护围岩稳定性分析公式如下公式(3-1)～(3-3)：

当判断竖井围岩处于稳定状态时，保持竖井围岩呈裸壁状态，或对竖井围岩进行薄壁简单支护，或随时竖井围岩进行膜壁保护；当判断竖井围岩处于不稳定状态时，对竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理。

可选地，对竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，包括：

1)对竖井围岩进行水平切环操作。

2)如图4所示，水平切环操作的深度按下述包神公式(4-1)以及最大环向应力进行计算，确定竖井围岩的下部井壁衬砌支护参数，确定水平切槽的几何尺寸，按照几何尺寸对竖井围岩进行径向衬砌支护或围岩加固处理，对于表土层，泊松系数大于1/3，只要以环向应力进行衬砌支护即可。

r

G

G

μ

可选地，超深井筒，围岩竖向应力大，对于刚度和强度都较高的围岩，应适时进行竖井围岩的纵向分段，实施环向切断，为竖向应力释放提供空间，同时加强井帮的径向支护，或围岩径向预应力施工，这样可有效降低和控制下部围岩井帮附近的应力场，防治井帮岩崩、岩爆等事故的发生。

可选地，通过在裂隙不发育的稳定岩层设置基岩壁座，对竖井围岩进行支护加固处理，其中，基岩壁座为壁龛分割式壁座结构或弹簧恒阻式壁座结构。

一种可行的实施方式中，对于基岩深竖井井筒，当围岩具备较好的强度和完整性岩层，可适当进行竖向分段，改变围岩的竖向应力传递，有效控制围岩的应力分布，充分发挥围岩的自承能力，同时可降低深部高地应力岩爆事故的概率。

为了避免竖向应力成为第一主应力，可通过环向切槽，切断井壁围岩纵向应力的传递，并进行井壁围岩加固，提供井壁围岩竖向变形和释放能量的空间，使最大偏应力其向岩体内部转移。切槽段高h为：

h≤3R

R

同时基岩井壁的纵向设置分段壁座。分段高度H按切槽深处加固下的偏应力状态来确定。

对于分段内的地层，就可始终按环向应力为第一主应力，来判断围岩破坏与否或进行稳定判断，并进行径向加固厚度设计计算。选择具备较高强度的基岩段，即[σ]＞＞σ

1)、如图5为壁龛分割式壁座结构的结构示意图，壁龛结构要求如下：

(1)壁龛设计参数共：壁龛屋顶倾斜角α(一般20°～60°)，径向深度th，垂直于屋顶面的锚杆数量n1、底部锚杆的数量n2，角度β，间距L和直径Φ。

(2)壁龛设计参数可通过数值计算进行优化，其中壁龛径向深度th，即井壁厚度，

(3)壁龛屋顶、侧墙应采用预应力锚杆和钢板进行强化支护，改善壁龛部分的围岩应力集中情况，提高岩体的承载能力。

(4)井壁衬砌采用混凝土或喷射混凝土支护，厚度一般300-500mm。

2)、如图6为弹簧恒阻式壁座的结构示意图，壁龛结构要求如下：

(1)壁座设计参数有共：顶部为平顶，径向深度th，垂直于井壁(或向下小倾角)，锚杆数量n1、间距L和直径Φ。这些参数可通过数值计算进行优化。

(2)弹簧刚度K，取决于竖向应力传递设计量。

(3)井壁衬砌采用混凝土或喷射混凝土支护，厚度一般300-500mm

本发明公开了一种深竖井基岩不均匀自重应力场的构建方法，首先提出了简易实用矿山竖井围岩原始应力场的构建方法，推导出了竖井壁围岩二次应力场的一般表达式；其次，依据库伦-摩尔岩土强度理论提出了井筒围岩稳定性的判定方法及统一的竖井井壁的设计原理；第三，针对深部基岩井筒，提出控制竖向应力传递，以将环向应力改为主应力为目标的井壁设计方法，提供壁龛分割式壁座以及弹簧恒阻壁座两种隔断竖向应力传递的壁座。此外，本发明还为深竖井施工中可能存在岩崩(爆)灾害事故的防治技术提供了理论参考。本发明提出的竖井井壁设计原理和方法具有一定理论统一性，可适用于全岩土范围的围岩条件判断，可以在确保井筒井壁永久承载能力的前提下，有效减小井筒井壁的衬砌厚度和开挖工程量，加快施工速度。经济和社会效益十分显著。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。