适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构的制作方法

本发明属于竖井工程技术领域，具体而言，本发明涉及适应于深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构。

背景技术：

长期以来我国矿产资源开采的深度多数处于1000m以内的开采范围，进而形成了成熟的第四系浅部地层成套技术，对于超过1000m深度开采技术研究较少，缺乏开采深地资源的技术储备。近年来，随着浅部资源的不断减少，矿山正在逐渐向1000m至1200m的开采深度迈进，少数的金属矿井正在建设超过1400m的深井开拓系统。随着资源及能源需求的继续提升，以及经济技术的发展，矿山竖井向着更深更大规模发展。当前已建成的最深最大竖井工程有：思山岭铁矿副井(直径10m，深度1438m)，会泽铅锌矿3#竖井(直径6.5m，深度1526m)。同时，我国有一批即将建设的深度在1500m左右的储备金属矿山，最深的山东黄金集团西岭金矿及云南会泽铅锌矿深部工程等竖井埋深将超过1800m。

传统竖井支护仅采用一次素混凝土支护。传统方案爆破完后，紧跟掘砌工作面实施混凝土衬砌支护，混凝土井壁和井底掘进工作面距离近，不考虑围岩压力释放距离。针对深竖井围岩高应力的特点，传统竖井支护仅采用一次素混凝土支护存在以下缺点：

(1)长期以来在浅部地层施工竖井形成的成熟掘砌工法，即以短掘短砌为特征，爆破后即进行混凝土井壁支护，衬砌完成后即刻出碴，预留围岩压力释放时间短，难以适应深部地层特征的围岩控制。

(2)在深部高应力地层中，围岩应力释放必然需要一定变形调整过程。混凝土衬砌是一种相对刚性支护结构，其适应围岩变形能力差。显然，仅采用普通素混凝土支护难以适应深竖井围岩控制要求。

(3)传统竖井施工在开工前施工一个竖井工程勘察孔，能够满足常规竖井设计所需要的基础资料。受工程勘察资料的准确性、施工扰动、掘砌工艺、实际竖井施工位置与工堪孔位偏差等影响，如何准确实时判断井筒工作面下部围岩的信息相对困难。

(4)深井高应力易发生岩爆，成为影响施工安全的主要风险和防治难点之一。传统竖井素混凝土支护，岩爆发生时吸能作用弱，协调变形差，易受岩爆破坏影响。

现有近似发明“一种岩质地层大断面深竖井的支护结构体系(cn203879506u)”相比，该发明涉及的是适用于市政、公路和铁路工程领域的竖井支护，具体而言是针对浅部第四系地层的支护结构体系；该发明也不涉及考虑围岩高应力、岩爆等矿山深竖井工程特性要求。现有近似发明“一种松散体中的地下竖井支护结构(cn204646240u)”相比，该发明也是针对浅部第四系地层的松散体的支护结构体系，是对松散岩体或塌方渣体的特殊地层的支护结构。

综上所述，传统竖井素混凝土一次支护不能适应深井地层特征，需要寻求与之匹配的新的支护结构体系。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构。该竖井复合支护结构克服了竖井高应力区域围岩稳定性控制困难、施工安全隐患多、岩爆风险高等问题，有效解决了深部地层及高应力区域的竖井支护过程中的难题。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构，根据本发明的实施例，该竖井复合支护结构包括：

竖井，所述竖井内限定出井筒空间；

刚性支护，所述刚性支护设在所述井筒空间的外围，所述刚性支护的下端与所述井筒底部工作面存在距离；

柔性支护，所述柔性支护的一端设在所述刚性支护的外围，所述柔性支护的另一端深入到围岩中。

根据本发明实施例的适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构，刚性支护为被动支护，能够提供相对刚性约束，限制围岩的继续变形。同时，刚性支护构造了井筒空间，提供了井筒装备安装条件。柔性支护属于主动支护，具有一定的柔性变形特征，能够满足围岩变形应力的释放，主动改善围岩特征，充分发挥围岩自承特性。刚性支护与柔性支护的复合支护结构，不同于浅部竖井掘砌传统工艺流程仅实施一次素混凝土支护的井壁结构，是分次进行施工的井筒支护技术。所得的复合支护结构能够适应深部围岩特征，使得围岩应力逐渐合理释放。该结构通过分次实施柔性支护与刚性支护，有效解决了深井高应力区域竖井支护的技术难题，且该结构简单、经济、可实现性好，实践应用效果良好。所得的复合支护结构融合了主被动支护各自的优势，能够使围岩充分发挥自承载能力，能够动态实时调整支护参数。由此，该竖井复合支护结构克服了竖井高应力区域围岩稳定性控制困难、施工安全隐患多、岩爆风险高等问题，有效解决了深部地层及高应力区域的竖井支护过程中的难题。

另外，根据本发明上述实施例的适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述深部地层的深度大于1000m。

在本发明的一些实施例中，所述高应力区域为所述竖井工作面所处区域的围岩单轴抗压强度与原岩最大主应力比小于等于三的区域。

在本发明的一些实施例中，包括至少一层所述柔性支护。由此，可进一步实现对围岩特征的主动改善，充分发挥围岩的自承特性。

在本发明的一些实施例中，所述柔性支护为选自喷射混凝土、锚杆、锚网、锚索、金属网、钢索网、非金属网和钢带中的至少之一。由此，该柔性支护具有一定的柔性变形特征，可进一步实现对围岩特征的主动改善，充分发挥围岩的自承特性。

在本发明的一些实施例中，所述锚杆为选自普通锚杆、新型屈服锚杆、管缝锚杆中的至少之一。由此，可进一步实现对围岩特征的主动改善，充分发挥围岩的自承特性。

在本发明的一些实施例中，所述刚性支护为混凝土支护。由此，使得刚性支护具有一定的刚性约束，同时可与柔性支护良好配合，一起实现对竖井的复合支护。

在本发明的一些实施例中，所述混凝土支护为选自素混凝土、型钢混凝土、纤维混凝土、钢筋混凝土、高性能混凝土、模袋混凝土中的至少之一。由此，有利于限制围岩继续变形。

在本发明的一些实施例中，所述刚性支护的下端与所述井筒底部工作面的距离不小于两个掘进循环进尺。由此，可在已实施柔性支护的地方实现复合支护，并可让刚性支护下端与井筒底部之间的围岩有足够的应力释放时间。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构的俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多次”的含义是至少两次，例如两次，三次等，除非另有明确具体的限定。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构，其中，深部地层的深度大于1000m，高应力区域为竖井工作面所处区域的围岩单轴抗压强度与原岩最大主应力比小于等于三的区域。根据本发明的实施例，参考图1，该竖井复合支护结构包括：竖井100、刚性支护200和柔性支护300。

根据本发明的实施例，竖井100内限定出井筒空间110，且适于通过井筒进入其内部以进行一系列相应动作。

根据本发明的实施例，刚性支护200设在井筒空间110的外围，刚性支护200的下端与井筒110底部工作面存在距离，且适于为竖井提供一定刚性约束，以限制围岩继续变形。发明人发现，刚性支护为被动支护，能够提供相对刚性约束，限制围岩的继续变形。同时，刚性支护构造了井筒空间，提供了井筒装备安装条件。施工期间保持刚性支护的下端与井筒底部工作面预留一定距离，是为了增加刚性支护下端与井筒底部之间的围岩的应力释放时间，以增加该复合结构的稳定性，提高竖井尤其是深部地层及高应力区域的竖井的结构稳定性，降低竖井施工的安全隐患和岩爆等危险。

根据本发明的一个实施例，刚性支护200可以为混凝土支护。根据本发明的再一个实施例，混凝土支护可以为选自素混凝土、型钢混凝土、纤维混凝土、钢筋混凝土、高性能混凝土、模袋混凝土中的至少之一。由此，混凝土支护基本限制了围岩的继续变形，使竖井井筒围岩达到新的应力平衡状态。发明人发现，通过对竖井围岩柔性支护与刚性支护的配合互补使用，可充分发挥围岩的自承作用，实现竖井的动态实时支护。需要说明的是，混凝土支护的具体类型并不限于上述类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

根据本发明的又一个实施例，刚性支护200的下端与井筒110底部工作面的距离可以不小于两个掘进循环进尺。发明人发现，在能保证施工工艺连续的前提下，预留距离可以满足围岩应力调整期不小于一天的条件，以很好地发挥预留距离的作用。现场常见实例是实施几个掘进与柔性支护循环后，一次性浇筑完成该段刚性支护，且刚性支护的下端与井筒底部工作面的距离可以为两个或两个以上掘进循环进尺。

根据本发明的实施例，柔性支护300的一端设在刚性支护200的外围，柔性支护200的另一端深入到围岩11中，且适于满足围岩变形应力的释放，主动改善围岩特征，充分发挥围岩自承特性。柔性支护为复合支护结构的一部分，所得的复合支护结构能够适应深部围岩特征，使得围岩应力逐渐合理释放。该结构通过分次实施柔性支护与刚性支护，有效解决了深井高应力区域竖井支护的技术难题，且该结构简单、经济、可实现性好，实践应用效果良好。所得的复合支护结构融合了主被动支护各自的优势，能够使围岩充分发挥自承载能力，能够动态实时调整支护参数。由此，该竖井复合支护结构克服了竖井高应力区域围岩稳定性控制困难、施工安全隐患多、岩爆风险高等问题，有效解决了深部地层及高应力区域的竖井支护过程中的难题。

根据本发明的一个实施例，可以包括至少一层柔性支护。发明人发现，当实施一次柔性支护后，若围岩应力持续调整变形过大，则需要择机实施多次柔性支护。具体的，实施柔性支护时可以为：首先实施一次柔性支护结构，如锚杆+金属网；然后，根据竖井围岩变形和发生岩爆等扰动情况，决策是否实施二次或三次柔性支护结构，如锚杆+钢带、锚索+钢带、锚注。需要指出的是第一次柔性支护结构所使用的锚杆，可以根据井壁变形程度、区域围岩应力水平、岩爆发生危险性程度等决定是否采用屈服锚杆。需要说明的是，柔性支护的具体层数并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

根据本发明的再一个实施例，柔性支护可以为选自喷射混凝土、锚杆、锚网、锚索、金属网、非金属网、钢索网和钢带中的至少之一。例如，可以为锚网支护结构，也可以为锚网喷支护结构，或者锚网+锚索、锚网+钢带等组合的柔性主动联合支护结构。由此，可适应围岩应力发放变形，同时可主动改善围岩性能，充分发挥围岩的自承性能。需要说明的是，在进行多次柔性支护时，每次柔性支护可以为不同柔性支护类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要适应围岩应力释放、满足围岩变形即可。需要说明的是，柔性支护的具体类型并不限于上述类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

根据本发明的一个实施例，锚杆可以为选自普通锚杆、新型屈服锚杆、管缝锚杆中的至少之一。具体的，将新型屈服锚杆引入到深竖井支护中，应用到岩爆发生风险高的竖井工程中，能够减轻岩爆带来的危害，节省工程投资。发明人发现，新型屈服锚杆与普通锚杆相比，具有明显的适应围岩应力调整及变形的优势，能持续提供约束阻力。

根据本发明实施例的适应于矿山深部地层及高应力区域的竖井复合支护结构，刚性支护为被动支护，能够提供相对刚性约束，限制围岩的继续变形。同时，刚性支护构造了井筒空间，提供了井筒装备安装条件。柔性支护属于主动支护，具有一定的柔性变形特征，能够满足围岩变形应力的释放，主动改善围岩特征，充分发挥围岩自承特性。刚性支护与柔性支护的复合支护结构，不同于浅部竖井掘砌传统工艺流程仅实施一次素混凝土支护的井壁结构，是分次进行施工的井筒支护技术。所得的复合支护结构能够适应深部围岩特征，使得围岩应力逐渐合理释放。该结构通过分次实施柔性支护与刚性支护，有效解决了深井高应力区域竖井支护的技术难题，且该结构简单、经济、可实现性好，实践应用效果良好。所得的复合支护结构融合了主被动支护各自的优势，能够使围岩充分发挥自承载能力，能够动态实时调整支护参数。由此，该竖井复合支护结构克服了竖井高应力区域围岩稳定性控制困难、施工安全隐患多、岩爆风险高等问题，有效解决了深部地层及高应力区域的竖井支护过程中的难题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。