CN107575234B - 一种深井支护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深井支护设计方法，深井支护设计方法在井筒高度方向上分段进行，深井支护设计方法包括：计算第j段井筒的工程地质数据；确定第j段井筒的围岩分类；判断各个支护方案的施工可行性；设计得到施工工艺工序；利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序，判断各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本是否符合工程要求，将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中。通过本发明中的方法，可以充分利用施工过程信息，从工程安全、经济、合理的角度统筹考虑支护设计与施工，提高超深井工程管理效率和水平，实现安全、经济、高效的支护方案设计。

Description

一种深井支护设计方法

技术领域

本发明涉及矿山立井，涉及一种深井支护设计方法，具体涉及一种超深井支护设计方法。

背景技术

我国浅部矿山立井井筒支护设计与施工经验丰富。目前浅部立井支护设计与施工流程为设计单位根据立井工程地质勘察钻孔资料结合工程类比及力学计算进行立井井壁结构设计，施工单位根据设计单位确定的井壁结构进行施工组织。

由于深部资源的开发需要，我国现代矿山立井的深度越来越大。目前在建或已建深度超过1200m的超深井逐年增多。由长沙有色冶金设计研究院有限公司设计的驰宏锌锗会泽矿业分公司3#找探矿竖井，井筒净直径6.5m，井深1526.5m，2015年11月19日掘砌完成，为当时国内已建成最深立井。通过这个超深井工程揭露出现有井筒支护设计与施工流程存在以下问题：

(1)目前已掘砌完成超深井数量偏少，同类型条件下没有工程实例可供参考；考虑到深部围岩工程地质及水文地质的复杂性，超深井支护设计面临高地应力、高地温、高渗透压和较强的围岩时间效应等困难，目前的支护设计计算方法及手段难以做到安全、经济、合理的统一；

(2)相较于常规浅部立井井筒基岩段采用素砼支护即可，超深立井需采用的支护形式如喷锚网索支护、素砼支护、钢纤维砼支护、钢筋砼支护、钢拱架支护、注浆加固等及以上支护组合会更加复杂或多样，对立井施工工艺及工序的影响大，造成施工进度及工程成本控制难度大；

(3)利用传统工程地质勘查中的测量数据进行支护方案的设计，由于工程地质勘查中得到的测量数据十分有限，一般单纯利用工程地质勘查钻孔得到若干资料，这些资料无法准确反映施工现场的实际情况，而且，对于深度较深的超深井，各段地质情况可能差别很大，仅根据在顶部进行的工程地质勘查中的测量数据无法全面反映在超深井的井筒的不同高度下的地质情况，使得设计得到的支护方案并不适应实际的地质情况，也无法有效利用围岩实现承载，由此带来了安全性问题、成本问题、工期问题，对工程进程造成了极大影响；即使在井筒中安装多个监控量测传感器，由于监控量测数据的分析需要一定时间，无法及时为支护方案设计提供参考；

(4)现有立井支护设计与施工流程造成支护设计与施工相对独立或相互脱节，没有统筹考虑支护设计与施工全流程结合，这导致了①支护设计阶段信息来源单一，难以验证设计合理性，而施工阶段产生的大量有用信息没有合理利用；②施工工艺及工序会直接影响立井围岩应力重分布，而支护设计阶段往往没有结合施工过程信息，造成支护设计不合理及返工情况增加；③设计单位很难统筹考虑支护设计与施工对工程进度和工程成本的影响，造成支护设计方案往往需经过业主或项目管理单位、施工单位、设计单位反复讨论与优化，效率低且容易由于信息不全或沟通不畅而出错。

综上所述，现有的深井支护方案设计无法满足实际工程需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的深井支护方案设计无法满足实际工程需求的问题，提供一种深井支护设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深井支护设计方法，所述深井支护设计方法在井筒高度方向上分段进行，所述深井支护设计方法包括

(1)计算第j段井筒的工程地质数据，j＝1,2,3,4,…，

当j＝1时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

当j≥2时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第j-1段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

所述第一测量数据为工程地质勘察中的测量数据，所述第二测量数据为施工过程中的测量数据，

所述第二测量数据包括第三测量数据、第四测量数据，所述第三测量数据为实际揭露围岩测量过程中的测量数据，所述第四测量数据为施工钻孔过程中的测量数据，

所述工程地质数据包括岩性分类、岩层产状参数、岩体完整性参数、岩石强度参数、地下水状态参数；

(2)利用所述第j段井筒的工程地质数据确定第j段井筒的围岩分类；

(3)根据步骤(2)中得到的第j段井筒的围岩分类设计第j段井筒的n个支护方案，其中n≥2；

(4)判断步骤(3)中设计的第j段井筒的各个支护方案的施工可行性，舍弃不可行的支护方案；

(5)设计得到第j段井筒的各个可行支护方案的施工工艺工序；

(6)利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序；

(7)判断各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本是否符合工程要求，将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中；

(8)令j＝j+1，跳转到步骤(1)。

本发明中，在井筒高度方向上分段进行深井支护设计。在进行第1段井筒的支护方案设计时，由于采集的数据较少，因此利用第一测量数据(工程地质勘察中的测量数据)、第二测量数据(施工过程中的测量数据)进行计算，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据。通过这种设置，使得第一测量数据可以由第二测量数据进行替代，即采用第1段井筒的施工过程中的测量数据替代工程地质勘查中的测量数据来计算工程地质数据；由于可能无法利用第二测量数据(施工过程中的测量数据)计算得到所有的工程地质数据，若利用第二测量数据无法及时计算得到某个工程地质数据，为了不影响整个施工进度，也可在计算中采用第一测量数据计算得到的该工程地质数据。在进行第j段井筒的支护方案设计时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第j-1段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据。通过这样设置，使得第二段井筒之后的各段井筒的支护方案设计中，可以令利用前一段井筒(第j-1段井筒)的第二测量数据在计算中的优选次序高于第一测量数据(工程地质勘查中的测量数据)，这样可以及时将上一段计算得到的工程地质数据应用到本段的计算中。这是基于井壁具有连续性的考虑，因为上一段计算得到的工程地质数据的准确度要高于第一测量数据(工程地质勘察中的测量数据)。由于井壁的连续性，已施工井筒的监控量测数据可为临近段的井筒的支护方案设计利用，因此，使得当数据计算较为复杂而无法获得本段测量数据时，可以参考上一段井壁的数据进行设计，从而提高设计和施工效率。因此，本发明整合施工过程中所产生的大量有用信息作为支护设计参考，提高了设计的可靠性。本发明使得获得的工程地质数据更为准确地反映了施工现场的实际的情况，使得支护设计的依据更为准确。在设计支护方案之后，判断各个支护方案的施工可行性，再对判断通过的支护方案进行施工设计，这样使得施工方案更为符合实际要求，提高了设计效率。本发明中，在施工过程中通过监控量测传感器进行监测，对采集到的监控量测数据进行分析，可以监测围岩的变形情况，掌握围岩变化动态，从而根据监控量测数据对支护方案的施工工艺工序进行调整，使得支护方案更为符合实际条件。

上述技术方案中，所述步骤(7)和步骤(8)之间还包括：

(7-1)计算各个可行支护方案的综合评价得分S_i＝q₁％×A_i+q₂％×B_i+q₃％×C_i，选取得分最高且工期、成本均符合要求的支护方案为最优支护方案，其中，S_i∈[0,100]，q₁％、q₂％、q₃％分别为安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分在综合评价得分中的权值，A_i、B_i、C_i分别为第i个可行支护方案的安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分。

本发明中，得到可行支护方案之后，通过对各个支护方案的安全性、成本、工期进行评估，构建综合评价得分表达式，可以得到对安全性、成本、工期综合考虑得到的最优支护方案。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，利用第三测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据。第四测量数据较容易采集，利用第四测量数据计算工程地质数据较为简单，计算时间较短；而利用第三测量数据计算得到工程地质数据的过程较为复杂，计算时间较长。但利用第三测量数据计算工程地质数据的精度高于利用第三测量数据的计算结果。因此，通过设置计算中的优选次序，使得优选利用第三测量数据计算得到的工程地质数据。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，所述工程地质数据还包括爆破块度参数，所述第二测量数据还包括第五测量数据，所述第五测量数据为施工爆破过程中的测量数据，利用第五测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序低于利用第三测量数据计算得到的工程地质数据，且其优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据的优选次序。本发明中，对于实际揭露围岩测量过程、爆破过程、施工钻孔过程计算得到的工程地质数据，设置优先次序，使得在数据可用时，可以选择更为准确的数据。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，所述工程地质数据还包括岩石钻进速度参数，利用第一测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩层产状参数、地下水状态参数；利用第三测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩体完整性参数、地下水状态参数；利用第四测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩石强度参数、岩石钻进速度参数；利用第五测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、爆破块度参数。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，所述岩石强度参数为岩石单轴抗压强度，利用所述岩石钻进速度参数计算第j段井筒的岩石单轴抗压强度。本发明中，利用岩石钻进速度参数计算所述岩石强度参数，相比于传统岩石强度计算方法，计算方法简单，效率更高，计算更为便捷。围岩单轴抗压强度的测试过程复杂，需要时间长，并且完整性差的岩石由于试样难加工不能测得值。本申请通过引入施工钻孔过程中的测量数据，利用钻孔过程监测迅速测得岩石单轴抗压强度。并利用实际揭露围岩测量过程中的测量数据对工程地质勘察钻孔资料进行修正，使得围岩分类更为准确。

上述技术方案中，所述步骤(7-1)中，利用下式计算第i个可行支护方案的工期评价得分B_i、成本评价得分C_i

其中，B_Standard、C_Standard分别为工期评价基本分、成本评价基本分，Time_i、Cost_i分别为第i个可行支护方案的工期估计值、成本估计值，Time_Standard、Cost_Standard分别为工期参考值、成本参考值；优选m为可行支护方案的个数。

上述技术方案中，所述步骤(7-1)中，计算各个可行支护方案的工期估计值、成本估计值时，参考数据包括施工钻孔过程、爆破过程中计算得到的工程地质数据。

本发明中，施工钻孔过程、爆破过程中可以得到岩石钻进速度参数、爆破块度参数等参数，由于在施工工艺工序中也包含钻孔过程、爆破过程，因此，可利用得到的岩石钻进速度参数、爆破块度参数等参数估计工期与成本。

上述技术方案中，所述步骤(6)中，利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序中的衬砌模板高度和/或正规循环时间。

与已有技术相比，本发明提出的方法统筹考虑了支护结构和施工过程之间的相互影响，整合了施工过程中大量有用信息作为支护设计参考，实现了超深井支护设计和施工过程参数的信息一体化，提高了超深井工程管理效率和水平，实现安全、经济、高效。具有以下优点：

(1)摒弃现有立井支护设计与施工相对独立或相互脱节的弊端，整合施工过程中大量有用信息作为支护设计参考，提高了设计的可靠性。

(2)统筹考虑支护结构和施工过程之间的相互影响、支护设计与施工对工程进度和工程成本的影响，实现超深井支护设计和施工过程参数的信息一体化，集成、高效确定支护设计和施工方案。

(3)一体化信息应用提高了超深井工程管理效率和水平。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的深井支护方案设计方法的流程示意图；

图2为本发明的深井支护方案设计方法中确定可行支护方案的流程示意图；

图3为本发明的深井支护方案设计方法中利用可行支护方案的最优支护方案的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例

本实施例中，以国内某矿混合井为例，针对目前超深立井工程建设难题，提出了深井支护设计方法。

现有技术仅有立井工程地质勘察钻孔资料，未利用施工过程信息，本申请提出还需结合施工过程信息。由于设计和施工方案会相互影响，本申请结合支护设计和施工方案，在一体化信息平台上对方案成本、进度、安全统筹考虑，优选方案。突出的是一体化信息应用方法。从工程安全、经济、合理的角度统筹考虑支护设计与施工的全过程信息，利用整合的数据库文件对可行的支护设计和施工方案进行工程安全、工程进度和工程成本三方面的整合优选，确定最优方案，从而提高超深井工程管理效率和水平，实现安全、经济、高效。本申请的有益效果在于：整合施工过程资料(即施工过程中的测量数据)，使得设计更合理；考虑设计与施工的相互影响，从安全、进度、成本三方面优选最终方案；实现了信息一体化，效率更高。理论和实践已经证实深部立井围岩既是荷载又是承载结构，支护结构及施工过程均会影响立井井壁的稳定性。本发明基于上述理念统筹考虑支护结构和施工过程之间的相互影响及对工程安全性、工程工期、工程成本的影响。

本发明的深井支护设计方法在井筒高度方向上分段进行。根据井深等实际情况，本发明中深井支护设计方法可以在井筒高度方向上分段进行。在井筒高度上根据实际情况对井筒进行分段。深井支护设计方法中所选取的每一段的高度根据实际工程情况进行确定，例如根据深井的总高度、工程的工期要求、成本要求确定每一段的高度。

如图1—图3所示，本发明的深井支护设计方法包括如下步骤：

(1)计算工程地质数据

(1.1)工程施工过程中的测量数据采集与计算

第j段井筒的施工过程包括实际揭露围岩测量过程、施工钻孔过程、施工爆破过程。在工程地质勘察中，采集第一测量数据。在第j段井筒的施工过程中，采集第二测量数据。第一测量数据为工程地质勘察中的测量数据。第二测量数据为施工过程中的测量数据，第二测量数据包括第三测量数据、第四测量数据、第五测量数据。第三测量数据为实际揭露围岩测量过程中的测量数据。第四测量数据为施工钻孔过程中的测量数据。第五测量数据为施工爆破过程中的测量数据。

施工单位施工钻孔过程的测量数据包括工作面施工超前钻孔、炮眼孔、锚杆孔等钻进速度及排屑性质等；施工钻孔过程的测量数据是对壁后围岩的第一手勘察资料，其钻进速度及排屑性质直接反映围岩内部质量，输入数据库作为围岩分类特征指标。利用岩石钻进速度参数计算岩石强度参数。

工程地质数据包括岩性分类、岩层产状参数、岩体完整性参数、岩石强度参数、地下水状态参数、爆破块度参数、岩石钻进速度参数。利用第一测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩层产状参数、地下水状态参数；利用第三测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩体完整性参数、地下水状态参数；利用第四测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩石强度参数、岩石钻进速度参数；利用第五测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、爆破块度参数。

实际揭露围岩测量过程中的测量数据包括工作面揭露围岩地质编录。施工爆破过程中的测量数据为对爆破后的爆破渣石进行测量的测量数据。爆破渣石为原位岩体石经爆破后的散块岩石，爆破渣石岩性可直接反映原位岩体岩性。爆破渣石块度对施工期间出渣工序影响很大，故应记录为施工单位编制施工设计的爆破和出渣工序提供依据参考。

(1.2)数据相互比对校核

将工程地质勘察钻孔资料与施工钻孔过程资料、实际揭露围岩资料、爆破渣石性质等施工过程地质资料相互比对校核后，按照与井筒标高相对应的原则输入一个数据库文件中，并记录围岩的可钻性、可爆性，为立井支护和施工方案设计提供参考。即在每一段井筒的施工过程中，将第三测量数据、第四测量数据、第五测量数据均按照与井筒标高相对应的原则输入数据库文件中。输入到数据库文件中的数据均应有标高标识，与井筒施工过程定位。

计算第j段井筒的工程地质数据，j＝1,2,3,4,…。

当j＝1时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据。

当j≥2时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第j-1段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据。

利用第三测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据。利用第五测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序低于利用第三测量数据计算得到的工程地质数据，且其优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据的优选次序。

岩石强度参数为岩石单轴抗压强度。利用第j段的第四测量数据计算第j段的岩石钻进速度参数，利用第j段的岩石钻进速度参数计算第j段井筒的岩石单轴抗压强度。

利用第1段井筒的施工钻孔过程中的测量数据计算第1段井筒的岩石钻进速度参数、利用第1段井筒的岩石钻进速度参数计算第1段井筒的岩石强度参数，将勘察过程解算的岩层产状参数、勘察过程解算的地下水状态参数分别作为第1段井筒的岩层产状参数、地下水状态参数。

考虑到工程地质勘察钻孔的局限性和钻孔偏斜误差，地质资料相互比对校核按照以下优先顺序：实际揭露围岩测量过程中的测量数据>施工爆破过程中的测量数据>施工钻孔过程中的测量数据>工程地质勘察中的测量数据。即优选次序依次为第三测量数据、第五测量数据、第四测量数据、第一测量数据。本实施例中，工程地质资料比对校核实例如表1所示。

表1工程地质资料比对校核实例

本申请基于一般地质情况考虑(不考虑溶洞、断层等特殊地质情况)，地层分布较为规律。本段井筒支护设计时参考上段井筒施工过程信息。工作面施工超前钻孔、炮眼孔直接反映本段井筒地质情况，可直接利用。

可钻性、可爆性，为立井支护和施工方案设计提供参考。可钻性、可爆性的量化均采用现有技术。可钻性参数用于快速测定围岩强度指标，即快速得到围岩的单轴抗压强度。可爆性为施工单位编制施工组织设计的爆破工序提供依据。围岩单轴抗压强度的测试过程复杂，需要时间长，并且完整性差的岩石由于试样难加工不能测得值。本申请通过引入施工钻孔过程中的测量数据，利用钻孔过程监测迅速测得岩石单轴抗压强度。并利用实际揭露围岩测量过程中的测量数据对工程地质勘察的钻孔资料进行修正，使得围岩分类更为准确。可钻性(单位为米/秒，m/h)参数用于快速测定围岩强度指标。可爆性为施工单位编制施工设计的爆破工序提供依据。

对于岩石可钻性的内容，可以参考发表于《岩石力学与工程学报》的岳中琦等人的文章《钻孔过程监测(DPM)对工程岩体质量评价方法的完善与提升》。

对于可爆性的内容，可以参考发表于张毅、明世祥等的文章《矿岩可爆性分级新方法》。

(2)确定围岩分类

利用第j段井筒的工程地质数据确定第j段井筒的围岩分类。取优先值的原则，按井筒标高从上往下记录井壁360°的岩性分类(地层岩性)、岩层产状参数(岩层结构面产状)、岩体完整性参数、岩石强度参数、地下水状态参数，并按照多因素定性和定量指标相结合的分类方法(如国家标准《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086-2015的围岩分类方法)确定井壁围岩的分类。

本实施例中，通过以上计算，确定在井筒埋深为1422～1465m的位置，围岩分类为白云岩，围岩级别为Ⅴ级。对于井筒高度方向上的其他段，按照相同的方法分别确定各段的围岩分类。

(3)支护方案设计

根据步骤(2)中得到的第j段井筒的围岩分类设计第j段井筒的n个支护方案，其中n≥2。

本实施例中，设计单位根据数据库文件中保存的数据(第一测量数据、第二测量数据)、监控量测数据，通过国家规范《煤矿立井井筒及硐室设计规范》GB 50384-2016第6.1.3条、6.2.5条拉麦公式及附录A、附录D中有关公式、“包神公式”计算，初步拟定3个支护方案。其中“包神公式”如下：

式中，th—井壁拟定厚度；r_i为井壁内半径；P'为围岩水平方向原始有效应力；P_ow为作用在井壁外缘的静水压力；G为围岩的饱和剪切模量；G_l为井壁结构剪切模量；μ_l为井壁结构材料的泊松比；[σ]为井壁结构材料许用应力。

拟定支护方案见表2所示。表2拟定支护方案及参数为永久支护方案，未列出喷锚网临时支护。各个方案的采用何种材料及具体参数按规范计算即可。现有技术。也可采用现有技术中的临时支护方案，结合本申请中设计的永久支护方案，采用临时支护方案与永久支护方案相结合的形式。临时支护方案为本领域现有技术，本领域技术人员可以理解。超深立井需采用的支护形式如喷锚网索支护、素砼支护、钢纤维砼支护、钢筋砼支护、钢拱架支护、注浆加固等及以上支护组合会更加复杂或多样。

拟定支护方案见表2所示。

表2拟定支护方案及参数表

表2中拟定支护方案对应的井筒埋深为1422～1465m，围岩为白云岩，围岩级别为Ⅴ级。

若在井筒高度方向上分段进行深井支护设计方法，在进行第j+1段的深井支护设计时，所利用的施工过程中计算得到的工程地质数据包括第j+1段的施工钻孔过程中计算得到的工程地质数据、第j段的实际揭露围岩测量过程中计算得到的工程地质数据，第j+1段的爆破过程中计算得到的工程地质数据，j＝1,2,…。

本申请基于一般地质情况考虑(不考虑溶洞、断层等特殊地质情况)，地层分布较为规律。本段井筒支护设计时参考上段井筒施工过程信息。工作面施工超前钻孔、炮眼孔直接反映本段井筒地质情况，可直接利用。

(4)支护方案施工可行性判断

判断步骤(3)中设计的第j段井筒的各个支护方案的施工可行性，舍弃不可行的支护方案。判断施工可行性包括判断各个支护方案的现场实际施工条件是否符合要求、场地是否受限、材料供应是否受限。判断不通过的支护方案返回设计单位进行修正，判断通过的支护方案由施工单位进行施工设计，由业主/项目管理单位、设计单位对施工设计审核判断相应设计方案是否需要调整，对审核通过的施工工艺与工序过程资料输入同一数据库文件中。判断步骤(1)中设计的各个支护方案的施工可行性，舍弃不可行的支护方案。支护方案首先由业主/项目管理单位、施工单位进行施工可行性判断。施工可行性根据现场实际施工条件、场地限制、材料供应限制等综合确定，施工可行性判断包括对现场实际施工条件、场地限制、材料供应限制的判断。

本实施例支护方案三内层钢板由于井内断面限制需提前在地面分割成3～4片下放至工作面后再拼接成整圆，但实际施工时井筒内淋水超过12m3/h，钢板拼接时焊接质量和焊接安全性难保证，因此业主/项目管理单位、施工单位均否决方案三。判断不通过的支护方案三返回设计单位进行修正，设计单位直接取消方案三。

(5)支护方案的施工设计

根据各个可行支护方案，设计得到第j段井筒的各个可行支护方案的施工工艺工序。对判断通过的支护方案由施工单位进行施工设计，得到各个可行支护方案的施工工艺工序。并由业主/项目管理单位、设计单位审核判断可行支护方案的施工工艺工序是否需要调整。将施工工艺工序与可行支护方案一起存储在数据库文件中。根据施工方案得到施工工艺与工序过程为现有技术。方案可行代表施工单位可以施工，但施工方案不一定与设计方案匹配，如施工单位采用长段单行作业方式时设计需增设初次支护。审核通过的施工工艺与工序过程资料输入同一数据库文件中。本实施例中，支护方案一、支护方案二的施工工序循环见表3。在方案一、方案二，对每个方案根据数据库中的工艺与工序参数、工序单价数据自动计算出方案工期和方案成本。

表3拟定支护方案施工工序循环表

循环进尺是井巷掘进每完成一个掘进循环，工作面向前推进的距离。正规循环总时间是指一次循环中完成全部工序所需要的时间。一次循环指的是在一段井筒的施工过程的打眼、出渣、支护、清底构成的过程。施工工艺工序的打眼过程包含钻孔、放炮(爆破)过程。岩石钻进速度参数、爆破块度参数可为施工工艺工序的打眼过程所需要的时间提供参考。

(6)支护方案的施工工艺工序的调整

利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序；利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序中的衬砌模板高度和/或正规循环时间。

监控量测数据是指施工过程中埋设的监控量测传感器采集到的数据。监控量测传感器用于监测井壁结构或围岩应力、应变、位移及变形、温度等，通过新奥法确定支护时机及判断井壁健康状况，并能指导支护和施工方案设计。监控量测传感器包括应力传感器、应变传感器、位移传感器、变形传感器(指围岩收敛仪)、温度传感器。

利用监控量测传感器进行围岩压力、喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力等测试。在工程中，对监控量测数据进行处理，对围岩变形和支护结构受力状态进行分析、预测。在井筒高度的各个段上均设置监控量测传感器。各个段上设置的监控量测传感器测得的监控量测数据可以反映本段围岩变形和支护结构的受力状态，由此可以在后面某一段的支护方案设计中，可以参考之前各段的监控量测数据。例如，若前面某一段的监控量测数据即可得到围岩的正规循环时间，因此可以据此对后面各段的衬砌模板高度和/或正规循环时间进行相应调整。

若根据前面某个段的监控量测数据计算、预测得到的围岩应力超过设定值，则可对本段施工过程进行相应的调整，例如增加监控量测传感器的布置，或减小采集监控量测数据的周期。由此可对本段围岩的支护方案、施工工艺工序进行调整。

利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序；判断通过的支护方案一、支护方案二由施工单位进行施工设计后，施工单位初步拟定衬砌模板高度为3.6m，由设计单位对施工设计审核认为一个正规循环时间仅为25h左右，处于监控量测数据反映的围岩应变急剧增长期，不利于充分利用围岩自承能力，故设计单位建议将模板高度调整为4.8m，将正规循环时间调整为34h～37h，适当释放地压降低岩爆可能性。将调整后的施工工艺与工序过程资料输入同一数据库文件中。

利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序为现有技术。采集监控量测数据并利用新奥法确定支护时机及判断井壁健康状况，并能指导支护和施工方案设计。通过新奥法确定支护时机，判断井壁健康状况，并指导支护和施工方案设计。

如本例利用监控量测数据调整施工段高3.6m至4.8m以合理释放地压。方案二实施后井壁监测结果表明井壁环向压应变为-230.2～-790.7με(受压)，竖向压应变为-297.3～-612.5με(受压)，均小于混凝土峰值压应变-1451με，最大值分别仅为混凝土峰值压应变的54.5％、42.2％，证明井壁健康状况良好。混凝土峰值压应变根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010附录C.2.4中公式计算：

式中，ξ_c，r—与单轴抗压强度相对应的混凝土峰值压应变；f_c—混凝土轴心抗压强度设计值。

本发明中，先确定优选实施方案，再施工。文中列出数据为方案实施后的监测数据。由于井壁的连续性，已施工井壁的监控量测数据可为临近井壁方案设计利用。

监控量测数据在工程全寿命周期使用。围岩受到多种因素的影响，呈现非均质、不连续和各向异性特征。围岩的这种复杂特征使得监控量测成为新奥法的关键。新奥法认为通过监控量测获取隧道开挖后围岩的受力变形状态，可以指导施工，及时调整施工工艺、支护参数。

监控量测的主要目的在于了解围岩的稳定性和支护的工作状态。它利用量测仪器、仪表和量测元件，对地表沉陷、围岩和支护结构的变形、应力应变等进行量测，来判断开挖对地表环境的影响范围和程度、围岩的稳定性和支护结构的工作状态，为工程的设计、施工和经营管理提供科学的数据依据。

利用监控量测数据进行分析和处理和必要的计算和判断后，可对原设计和施工的合理性进行评估和信息反馈，以确保施工安全和深井结构的稳定。监测的主要目的是监测围岩的变形情况，掌握围岩变化动态，对围岩的稳定性作出评价。通过收集可反映施工过程中围岩与支护体系动态变化的信息，对它们进行分析处理，验证支护衬砌设计效果，提供修改设计和施工方法的依据，确定支护结构形式、支护参数等。

(7)判断工期、成本是否符合要求，并输入数据库中

判断各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本是否符合工程要求，将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中。

实际工程中，首先确定符合工程要求的工期值的范围、成本值的范围。本步骤中，计算各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本，若工期位于符合工程要求的工期值范围，且成本位于符合工程要求的成本值范围，则该支护方案为符合工程要求的可行支护方案。将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中，即为将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序存储到数据库文件中。

(7-1)综合评价得分的计算及最优方案选择

如图3所示，根据步骤(7)得到的各个支护方案和施工工艺工序设计最优支护方案。

计算各个可行支护方案的综合评价得分，其中第i个可行支护方案的综合评价得分为S_i＝q₁％×A_i+q₂％×B_i+q₃％×C_i。选取综合评价得分最高且工期、成本均符合要求的可行支护方案为最优支护方案，其中，S_i∈[0,100]，q₁％、q₂％、q₃％分别为安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分在综合评价得分中的权值，A_i、B_i、C_i分别为第i个可行支护方案的安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分。

(7-1-1)计算安全性得分、工期评价得分、成本评价得分

首先读取数据库文件并提取超深井支护方案及对应的施工工艺工序；然后，对每个方案，根据数据库中的支护方案及对应的施工工艺工序自动计算出支护方案的工期和成本；根据施工工艺工序的参数、施工工艺工序的单价数据自动计算(结果见表2)。

计算各个可行支护方案的工期估计值Time_i、成本估计值Cost_i时，参考数据包括施工钻孔过程、爆破过程中计算得到的工程地质数据。

参考监控量测数据，由业主/项目管理单位、施工单位、设计单位共同评定方案施工期间及使用期间支护方案及施工工艺工序的安全性。由监控量测数据来定量评判安全性。如井壁混凝土应变与混凝土极限应的比值，超过1为不合格，则方案需调整；安全性得分可由监控量测数据来定量评判，如井壁混凝土应变与混凝土极限应的比值，超过1为不合格，则方案需调整。但一般方案实施前缺少充足的监控量测数据等数据来定量评判方案安全性，并且超深井工程的专业性很强，应由业主/项目管理单位考核确定，也可由业主/项目管理单位委托的专家(组)考核评定。本例由业主确定方案二钢纤维混凝土延性好故方案二的安全性评价得分A₂＝80分，高于方案一的安全性评价得分A₁＝65分。

利用下式计算第i个可行支护方案的工期评价得分B_i、成本评价得分C_i

其中，B_Standard、C_Standard分别为工期评价基本分、成本评价基本分，Time_i、Cost_i分别为第i个可行支护方案的工期估计值、成本估计值，Time_Standard、Cost_Standard分别为工期参考值、成本参考值。优选m为可行支护方案的个数。

优选B_Standard∈[30,60]，更优选B_Standard＝50。优选C_Standard∈[30,60]，更优选C_Standard＝50。优选e∈[0.1,3]，更优选e＝0.5。优选f∈[0.1,3]，更优选f＝0.5。

工期参考值、成本参考值可为项目工期/成本目标值，亦可采用各个支护方案的工期估计值的平均值、成本估计值的平均值。支护方案的工期估计值与工期参考值相比，若工期估计值与工期参考值相等，则该支护方案的工期评价得分为工期评价基本分。支护方案的成本估计值与成本参考值相比，若成本估计值与成本参考值相等，则该支护方案的成本评价得分为成本评价基本分。工期估计值与工期参考值相比，每向上浮动1％扣e分，每向下浮动1％加f分(加减分值的中间值用插入法)。投标人的投标报价与成本参考值相比，每向上浮动1％扣e分，每向下浮动1％加f分(加减分值的中间值用插入法)。

工期评价得分、成本评价得分均应满足基本分才能判定为符合要求。工期符合要求的条件为B_i≥g_B，成本符合要求的条件为C_i≥g_C，其中g_B、g_C，分别为工期基本分、成本基本分。优选g_B∈[30,50]，g_C∈[30,50]；更优选g_B＝g_C＝30。

B_Standard、C_Standard、Time_Standard、Cost_Standard、g_B、g_C均可根据实际工程需要确定。

(7-1-2)综合评价得分计算

计算各个可行支护方案的综合评价得分S_i＝q₁％×A_i+q₂％×B_i+q₃％×C_i，选取得分最高且工期、成本均符合要求的支护方案为最优支护方案，其中，S_i∈[0,100]，q₁％、q₂％、q₃％分别为安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分在综合评价得分中的权值，A_i、B_i、C_i分别为第i个可行支护方案的安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分。最后输出最优方案。方案综合评价得分S_i的满分为100分。优选q₁取30～50。本实施例中q₁＝30。优选q₂取20～60。本实施例中q₂＝50。优选q₃取30～50。本实施例中q₃＝20。q₁、q₂、q₃值由业主/项目管理单位根据项目重点确定，本例中工期要求非常急，故q₂值较高。q₁、q₂、q₃均可根据实际工程需要进行确定。

(7-1-3)方案安全性、方案工期、方案成本符合要求且综合较优的方案作为优选方案

对方案安全性、方案工期、方案成本均判断符合要求且综合较优的方案作为优选方案输出。本例中方案一、方案二安全性、工期、成本均判断符合要求，但方案二综合评价得分S₂＝86分，高于方案一综合评价得分S₂＝78分，最终方案二为优选方案。

(8)令j＝j+1，跳转到步骤(1)

在超深井支护方案设计中，将第j段井筒的施工过程中的测量数据(即第二测量数据)、工程地质数据、支护设计参数、施工工艺与工序过程参数、监控量测数据等多方信息通过数据输入或自动采集的方式整合在一个数据库文件中，数据及时更新且能方便调用。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种深井支护设计方法，其特征在于：所述深井支护设计方法在井筒高度方向上分段进行，所述深井支护设计方法包括如下步骤：

(1)计算第j段井筒的工程地质数据，j＝1,2,3,4,…，

当j＝1时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

当j≥2时，在计算中的优选次序依次为利用第j段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第j-1段井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

所述第一测量数据为工程地质勘察中的测量数据，所述第二测量数据为施工过程中的测量数据，

所述第二测量数据包括第三测量数据、第四测量数据，所述第三测量数据为实际揭露围岩测量过程中的测量数据，所述第四测量数据为施工钻孔过程中的测量数据，

所述工程地质数据包括岩性分类、岩层产状参数、岩体完整性参数、岩石强度参数、地下水状态参数；

(2)利用所述第j段井筒的工程地质数据确定第j段井筒的围岩分类；

(3)根据步骤(2)中得到的第j段井筒的围岩分类设计第j段井筒的n个支护方案，其中n≥2；

(4)判断步骤(3)中设计的第j段井筒的各个支护方案的施工可行性，舍弃不可行的支护方案；

(5)设计得到第j段井筒的各个可行支护方案的施工工艺工序；

(6)利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序；

(7)判断各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本是否符合工程要求，将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中；

(8)令j＝j+1，跳转到步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(7)和步骤(8)之间还包括：

(7-1)计算各个可行支护方案的综合评价得分S_i＝q₁％×A_i+q₂％×B_i+q₃％×C_i，选取综合评价得分最高且工期、成本均符合要求的支护方案为最优支护方案，其中，S_i∈[0,100]，q₁％、q₂％、q₃％分别为安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分在综合评价得分中的权值，A_i、B_i、C_i分别为第i个可行支护方案的安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分。

3.根据权利要求1或2所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用第三测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据。

4.根据权利要求3所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述工程地质数据还包括爆破块度参数，所述第二测量数据还包括第五测量数据，所述第五测量数据为施工爆破过程中的测量数据，利用第五测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序低于利用第三测量数据计算得到的工程地质数据，且其优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据的优选次序。

5.根据权利要求4所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，

利用第一测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩层产状参数、地下水状态参数；

利用第三测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩体完整性参数、地下水状态参数；

利用第四测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、岩石强度参数、岩石钻进速度参数；

利用第五测量数据计算得到的工程地质数据为岩性分类、爆破块度参数。

6.根据权利要求5所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述岩石强度参数为岩石单轴抗压强度，利用所述岩石钻进速度参数计算第j段井筒的岩石单轴抗压强度。

7.根据权利要求2所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(7-1)中，利用下式计算第i个可行支护方案的工期评价得分B_i、成本评价得分C_i

其中，B_Standard、C_Standard分别为工期评价基本分、成本评价基本分，Time_i、Cost_i分别为第i个可行支护方案的工期估计值、成本估计值，Time_Standard、Cost_Standard分别为工期参考值、成本参考值；优选m为可行支护方案的个数。

8.根据权利要求7所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(7-1)中，计算各个可行支护方案的工期估计值、成本估计值时，参考数据包括施工钻孔过程、爆破过程中计算得到的工程地质数据。

9.根据权利要求1所述的深井支护设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序中的衬砌模板高度和/或正规循环时间。