一种深竖井围岩非均布高地压“串”型有控卸压结构的制作方法

1.本发明涉及深部工程岩体的稳定性控制技术领域，具体涉及一种深竖井围岩非均布高地压“串”型有控卸压结构。


背景技术：

2.浅部矿产资源消耗殆尽，矿山开采逐步进入深井及超深井开采阶段。深部岩体非线性力学特性更加突出导致竖井受力状态由浅层的均匀受压逐渐转变为深部的非均匀性受压，而在深井与超深井开采阶段，由于竖井所处埋深已经达到千米级别以上，岩体地应力分布特征以不均匀性水平高地压分布形式占主导地位，这一恶劣地质条件给深部竖井稳定性造成极大威胁，对深部竖井围岩卸压技术提出严峻考验，设计何种围岩卸压技术可有效卸除深竖井所承受的非均匀高地压，即在卸除竖井所受高地压的同时将竖井所受地压均匀化，这是矿山开采工程进一步向更深阶段发展所亟待解决的难题。
3.井壁为一种轴对称结构，在均匀受力条件下具有极高的承载能力，而深部岩体所赋存的非均匀性高地应力条件直接导致井壁处于非均匀性挤压受力状态，这种不适宜的受力状态极易导致井壁产生局部应力集中，井壁不能充分发挥其承载能力，进而导致竖井井壁破裂失稳，严重影响矿山开采建设与后期安全运营。
4.传统竖井围岩卸压技术通常采取爆破产生松动区，或者进行卸压钻孔等以达到卸压目的，这类卸压技术固然可在一定程度上卸除竖井所承受部分压力，但在卸压参数选取方面盲目性较强，并不能在最大程度上卸除岩体应力，此外，由于深部岩体赋存瓦斯与地下水等不良，采用爆破危险性与污染性较大。
5.综上所述，为解决上述难题以及弥补现有卸压技术的不足，需要设计一种适应于深竖井围岩非均布高地压的有控卸压井壁结构。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有卸压技术所存在的不足，提供一种深竖井围岩非均布高地压“串”型有控卸压结构，能够解决现有的卸压技术在深部竖井开挖与支护过程中不能有效卸除深部岩体的非均布高地压及不能有效削弱非均布高地压对竖井稳定性造成的不良破坏效应的难题。
7.为解决上述技术难题，本发明采用的技术方案是：一种深竖井围岩非均布高地压“串”型有控卸压结构，包括环形扩径区，环形高强橡胶气囊，气囊填充材料，气压监测传感器，泄压阀，注浆管道，气囊垫板。
8.所述环形扩径区扩径参数包括扩径半径r
扩径区
，扩径高度h
扩径区
与单元环形扩径区间距d
扩径区
，环形扩径区轮廓存在一定曲率以避免产生应力集中，但形状非固定，扩径区的扩径参数：扩径半径，扩径高度与单元环形扩径区间距，建议取值范围为：扩径半径r
扩径区
＝(1/2～2/3)
·
(r
塑性区-r
竖井
)，扩径高度h
扩径区
＝(2/3～1)
·r扩径区
，单元环形扩径区间距d
扩径区
＝(2～4)
·r扩径区
，其中r
竖井
为竖井开挖半径，r
塑性区
为竖井开挖而导致围岩所产生的塑性区的半径，
其值由公式(1)求得，扩径区具体扩径参数可根据工程现场实际进行调整。
9.所述环形扩径区开挖成型后预先铺设一层钢筋网，采用锚杆进行固定，锚杆裸露端部采用凹形木方块进行包裹处理，随后喷射一层混凝土以进行覆盖。扩径区预先采用锚网喷进行处理目的在于对环形扩径区形成一种临时支护及平整环形扩径区开挖轮廓，混凝土的等级可取c20，喷射厚度视锚杆端头裸露部分长度而定，混凝土最小喷射厚度的选用应以完全覆盖锚杆端头裸露部分为标准，以避免锚杆端头对气囊造成破坏。
10.所述环形高强橡胶气囊为特制而成的空心结构，其内部设置有气压监测传感器，外部设置有泄压阀与注浆管道，环形高强橡胶气囊体积略小于环形扩径区范围体积，使用时内嵌放置于环形扩径区内。
11.所述气囊填充材料包括但不限于普通混凝土，超缓凝混凝土等凝结后可产生一定强度的的物质，气囊填充材料用于卸压完毕后对环形高强橡胶气囊进行永久性填充，其凝固后产生一定强度，可作为井壁永久支护的一部分。
12.所述气压监测传感器设置于环形高强橡胶气囊内部。
13.所述泄压阀与环形高强橡胶气囊连接，泄压阀安置时引出至井壁内缘。
14.所述注浆管道与环形高强橡胶气囊连接，气囊填充材料可由注浆管道压入环形高强橡胶气囊内，注浆管道安置时引出至井壁内缘。
15.所述气囊垫板为木质材料制成，在气囊垫板与扩径区，井壁的接触面处，气囊垫板形状与扩径区，井壁形状相同且贴合接触，气囊垫板使用时放置于环形高强橡胶气囊与井壁之间以增大环形高强橡胶气囊与井壁接触面面积，避免气囊对井壁产生应力集中。
16.所述外部围岩包括但不限于高地应力岩层、粘性土、砂性土、砂卵砾石料、碎石、块石石料、褶皱、断层和破碎带条件，凡可开挖隧洞地段不利于井壁支护即可使用本围岩卸压结构。
17.所述适用工程形式包括但不限于竖井、斜井和隧道。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
19.本发明改善及优化了传统卸压技术不能有效将深部岩体的非均布高地压均匀化的局限之处，通过在竖井周围设置了可压缩变形的环形扩径卸压区，当各个方向非均布高地压不断释放作用于环形扩径卸压区内的环形高强橡胶气囊上时，通过环形高强橡胶气囊的可压缩性与自由变形能力，非均布高地压可实现连续自由均匀化调整，最终均化为同一个气囊内压，则实现深部岩体非均布高地压的均匀化，有效改善了竖井的受力状态，提高井壁承载能力，大大增强了竖井稳定性。
20.本发明提出的深部岩体非均布高地压“串”型卸压结构所设置的环形卸压区内配套装置有气压检测传感器与泄压阀，可通过气压监测传感器实时监测非均布高地压释放过程，根据不同卸压要求，当围岩压力达到设计阈值时即通过泄压阀进行压力释放，实现了深部岩体非均布高地压的有控卸压，主动控制性强，安全性高。
附图说明
21.图1为本发明实施例的竖井围岩卸压结构纵向剖面示意图；
22.图2为本发明实施例的竖井围岩卸压结构相邻两单元卸压区(注：以矩形截面扩径区为例)立体示意图；
23.图3为本发明实施例的竖井围岩卸压结构单元卸压区细部结构示意图；
24.图4为本发明实施例的竖井围岩卸压结构的水平俯视示意图；
25.图5为本发明实施例的竖井围岩卸压结构的尺寸示意图。
26.图中：1、井壁，2、环形扩径区，3、环形高强橡胶气囊，4、气囊垫板，5、泄压阀，6、注浆管道，7、气压监测传感器，8、竖井围岩，9、非均布高地压，10、扩径高度h
扩径区
，11、单元环形扩径区间距d
扩径区
，12、竖井半径r
竖井
，13、扩径区半径r
扩径区
，14、围岩塑性区半径r
塑性区
，15、原始围岩。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1、2所示，本发明实施例1(一种深竖井围岩非均布高地压“串”型有控卸压结构)实施步骤包括：
29.竖井开挖至非均布高地压显现地段后，根据所选取的扩径参数横向开挖环形扩径区，扩径区开挖成型后随即铺设钢筋网，施作锚杆及喷射一层混凝土作为扩径区轮廓的平整性处理与临时支护。
30.扩径区平整处理完毕后将环形高强橡胶气囊内嵌安置于扩径区内，环形高强橡胶气囊体积略小于环形扩径区体积，气囊设置完毕后进行初始充压，初始充压的气压大小控制在所设计井壁的理论承载力的50％范围。
31.环形高强橡胶气囊初始充压完成后继续向下开挖并浇筑竖井井壁，环形高强橡胶气囊与井壁接触面设置一层垫板，垫板上预留两个小孔，作为注浆管道与泄压阀的通道，浇筑井壁时将卸压区环形高强橡胶气囊上的泄压阀与注浆管道引出至井壁内缘，此时的泄压阀与注浆管道均处于关闭状态。
32.至此完成环形卸压区卸压结构的设置与安装。
33.在高地应力作用下，围岩产生变形，卸压结构开始工作，竖井周围不同方向的非均布高地压开始逐渐释放并作用于环形扩径区内具有初始内压的同一个环形高强橡胶气囊上，气囊内压随之开始增长，由于环形高强橡胶气囊的可压缩性与自由变形能力，最终竖井周围各向非均布高地压逐渐转化为环形高强橡胶气囊的内压，非均布高地压在释放过程中同时得到均化调整。
34.随着围岩压力的逐渐释放，环形高强橡胶气囊内气压值逐渐上升，观察环形高强橡胶气囊内预设的气压监测传感器监测所得的内压数值，当内压达到井壁承载强度设计值的3/4时即打开泄压阀进行气压部分释放，气压部分释放量可视现场实际情况而定，气压部分释放完毕后关闭泄压阀，至此围岩非均布高地压得到一次卸除。围岩非均布地应力继续释放与均化调整，环形高强橡胶气囊内压重新继续上升，当再次上升到井壁承载强度设计值的3/4时再次打开泄压阀进行气压部分释放，则围岩非均布高地压得到二次卸除，重复进行一次，二次卸压过程。以上卸压过程中注浆管道始终处于关闭状态。
35.通过几次循环卸压操作，围岩高压得到有效可控的释放，非均布特性得到良好改
善，实时记录气压监测传感器数值变化，待环形高强橡胶气囊内压无增长趋势，即围岩压力无明显变化趋于稳定后，打开注浆管道注入混凝土充填满环形高强橡胶气囊，围岩应力逐渐趋于稳定，即实现本发明功能。
36.气囊填充材料包括但不限于混凝土、气体、水、非牛顿流体和其他存在可塑性的物质。扩径区包括但不限于泳圈形、垫圈形、多块方体绕圈间隔布置，可达到本文所述目的形式均为保护范围。扩径区半径、扩径高度与单元扩径区间距视实际情况决定。围岩结构外部条件包括但不限于土体、岩体、水体，凡可开挖隧洞地段不利于洞壁支护即可使用本有控卸压围岩结构。适用工程形式包括但不限于竖井、斜井和隧道等。
37.虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。