1.3 施工与运营的人为扰动因素
施工过程和运营期间的人为扰动因素也是影响硐室及溜井稳定性的重要方面。
在施工过程中,不同的施工方式对围岩的扰动程度存在显著差异。全断面施工法和台阶施工法是常见的两种施工方法,它们各有特点。全断面施工法是按照设计轮廓一次爆破成形,然后修建衬砌的施工方法。这种方法适用于围岩稳定、断面较小的硐室。其优点是开挖断面与作业空间大、干扰小,有条件充分使用机械,减少人力,工序少,便于施工组织与管理,改善劳动条件,而且开挖一次成形,对围岩扰动少,有利于围岩稳定。例如,在某围岩条件较好的小型硐室施工中,采用全断面施工法,施工速度快,每天可掘进 3 - 5m,且施工过程中围岩变形较小,周边位移增量控制在 5 - 10mm 以内,有效地保证了施工安全和硐室的稳定性。
台阶施工法是先开挖上半断面,待开挖至一定长度后同时开挖下半断面,上、下半断面同时并进的施工方法。按台阶长短又可分为长台阶、短台阶和超短台阶三种。在使用台阶施工法时,需要控制好上下分层的错距,以减少工序干扰。一般来说,长台阶法的上下台阶错距较大,干扰较小,但施工速度相对较慢;短台阶法的上下台阶错距较小,施工速度相对较快,但干扰较大,需要更加精细的施工组织。例如,在某围岩稳定性一般的硐室施工中,采用短台阶法,上下台阶错距控制在 3 - 5m,通过合理安排施工顺序和时间,有效地减少了工序干扰,保证了施工进度和质量。然而,如果上下分层错距控制不当,如错距过小,会导致上半断面开挖支护后,下半断面开挖时对上半断面的稳定性产生较大影响,可能引发围岩坍塌等事故。
在溜井的运营过程中,长期放矿产生的冲击摩擦是导致溜井破坏的重要原因之一。矿石在溜井中下落时,会对井壁产生冲击和摩擦作用。根据散体力学理论,矿石在下落过程中,其运动轨迹近似为椭球体,在与井壁接触时,会产生一个水平力。当这个水平力超过井壁岩体的强度时,就会导致井壁岩体损伤。通过现场监测和分析发现,在溜井的非贮矿段,由于矿石的频繁冲击,井壁磨损严重,部分区域的磨损深度可达 10 - 20cm;而在贮矿段,由于矿石的缓冲作用,磨损相对较轻。此外,长期的冲击摩擦还会使井壁岩体产生疲劳损伤,降低岩体的强度,增加溜井破坏的风险。据统计,在一些地下矿山中,由于长期放矿的冲击摩擦,溜井的破坏率高达 30% - 50%,严重影响了矿山的正常生产。
二、稳定性计算方法与实操公式应用
2.1 硐室围岩应力与围岩压力计算
2.1.1 围岩弹性应力计算(圆形硐室为例)
在硐室稳定性分析中,围岩弹性应力计算是重要的基础环节,以圆形硐室为例,采用弹性理论中的拉密公式进行计算,能够准确得出围岩的应力分布情况。拉密公式如下: