千米豎井掘進(jìn)施工難點(diǎn)及解決方法

韓天宇 王永柱

(湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

千米豎井掘進(jìn)施工難點(diǎn)及解決方法

韓天宇 王永柱

(湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

隨著國(guó)內(nèi)淺部礦產(chǎn)資源的枯竭，礦山相繼轉(zhuǎn)入深井開采，千米級(jí)豎井建設(shè)逐年增多。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)井筒支護(hù)、巖爆防治、通風(fēng)降溫、防水、排水、施工機(jī)械配套等問題進(jìn)行探討和分析，提出有效的解決措施。結(jié)果表明，改善施工環(huán)境，合理配置機(jī)械設(shè)備，既保證施工安全，又加快了施工進(jìn)度。

深井開采 巖爆 通風(fēng)降溫 防水 排水

礦產(chǎn)資源由淺部向深部開發(fā)是客觀的必然發(fā)展規(guī)律，國(guó)外很多礦山早已進(jìn)入深部開采，南非Driefontein金礦開采于地面2 500 m以下，瓦樂瑞富礦開采深度已達(dá)4 800 m；國(guó)內(nèi)目前亦有很多千米深井，如山東淄博唐口礦主井、副井、風(fēng)井，貴州銅仁李家灣錳礦主井、副井，遼寧本溪思山嶺鐵礦與大臺(tái)溝鐵礦也有多條千米級(jí)豎井在建設(shè)中。隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害、作業(yè)環(huán)境惡化等一系列問題。我國(guó)深井建井技術(shù)尚處于起步階段，通過解決相關(guān)技術(shù)難題，不僅可以使施工更加安全、快速，也使我國(guó)深井施工技術(shù)邁向一個(gè)新臺(tái)階。

1 支護(hù)及巖爆防治

當(dāng)井筒開挖后，爆破會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生影響，使一定范圍內(nèi)的圍巖松動(dòng)、出現(xiàn)裂縫，巖石的整體強(qiáng)度與承載能力會(huì)降低。隨著井筒深度增加，地壓越來(lái)越大，巖石在載荷的作用下，發(fā)生變形，隨載荷的不斷增加，或在載荷作用下隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石變形就會(huì)逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞[1]，即巖爆。巖爆有拋擲、彈射、剝落等形式，嚴(yán)重危害井下工作人員和設(shè)備的安全。

目前我國(guó)深井基本是混凝土支護(hù)，但支護(hù)前可能發(fā)生巖爆，單純的混凝土支護(hù)不能對(duì)井下工作人員起到保護(hù)作用，且混凝土為剛性結(jié)構(gòu)，隨著井筒服務(wù)年限的增加，巖石變形逐漸增大，混凝土支護(hù)很難適應(yīng)。為預(yù)防巖爆的發(fā)生，保證施工與后期井筒的安全，采用機(jī)械式漲殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿與楔縫式錨桿間隔使用，與鋼筋網(wǎng)對(duì)井壁進(jìn)行初支護(hù)(圖1)，若圍巖破碎或暴露時(shí)間較長(zhǎng)，則需進(jìn)行噴漿，最后進(jìn)行混凝土支護(hù)。

圖1 井壁錨網(wǎng)噴支護(hù)展開示意

錨桿的間距根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑確定，而漿液的有效擴(kuò)散半徑與圍巖裂隙狀態(tài)、裂隙開度、注漿材料的流動(dòng)性、注漿壓力等諸多因素有關(guān)，根據(jù)注漿試驗(yàn)和礦山類比法，確定錨桿間距為600～1 000 mm。

目前以董方庭教授為首研究的圍巖松動(dòng)圈的支護(hù)在平巷中廣泛運(yùn)用。當(dāng)豎井開挖后，同樣會(huì)產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圈，并且隨著井筒深度增加，壓力增大，產(chǎn)生松動(dòng)圈的時(shí)間就會(huì)減少，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度而未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[2]。圍巖松動(dòng)圈的最主要屬性是其厚度，可以通過超聲波圍巖松動(dòng)圈測(cè)試儀或多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，圍巖松動(dòng)圈的厚度就是錨桿要錨固的長(zhǎng)度，通過工程類比法，確定錨桿長(zhǎng)度為1 500～2 000 mm。

機(jī)械式漲殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿與楔縫式錨桿都屬于預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效抑制節(jié)理面間的剪切變形和提高巖體的整體強(qiáng)度，完整或質(zhì)量好的巖石具有較高的承載能力，當(dāng)井筒爆破后，井壁受到爆破震動(dòng)影響，產(chǎn)生變形、裂隙，會(huì)嚴(yán)重降低開挖附近圍巖的整體強(qiáng)度，楔縫式錨桿與機(jī)械式漲殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿打入圍巖后，后者進(jìn)行注漿，注漿液充填于巖石裂隙與弱節(jié)理面，改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和其所處的不良狀態(tài)，使錨桿全長(zhǎng)范圍內(nèi)的圍巖形成一個(gè)整體，加強(qiáng)圍巖的自身承載能力，最后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混凝土支護(hù)(圖2)。

圖2 井筒支護(hù)橫剖示意

注漿效果與注漿材料的選擇關(guān)系很大，小于巖石顆粒的注漿液有利于進(jìn)入巖石裂隙和弱節(jié)理面，更好地膠結(jié)圍巖。綜合目前的注漿材料，選擇有機(jī)化學(xué)材料最適合，可以充分充填巖隙[3]，提高其抗壓能力，并減少井壁滲水。

2 通風(fēng)降溫

隨著井筒深度不斷加大，圍巖溫度不斷升高，加上爆破產(chǎn)生的熱量、機(jī)械設(shè)備放熱等致使井筒內(nèi)溫度不斷升高。在高溫環(huán)境下工作，人體可能出現(xiàn)無(wú)力、口渴、脈搏加快、體溫升高、水鹽平衡失調(diào)等癥狀，降低工作效率。最常見的降溫方式是通風(fēng)。

目前市場(chǎng)上采用最多的是布風(fēng)筒，質(zhì)量輕，運(yùn)輸方便，價(jià)格低廉，但易破損，漏風(fēng)嚴(yán)重，更換不方便。貴州銅仁李家灣錳礦主井深1 121 m，井口及吊盤以上30 m左右采用布風(fēng)筒，方便接風(fēng)筒和起落盤，中間采用玻璃鋼風(fēng)筒，較好地解決了漏風(fēng)問題。玻璃鋼風(fēng)筒分為2節(jié)，大頭套小頭，采用麻繩加固體膠處理(圖3)，連接處存在漏風(fēng)現(xiàn)象。后對(duì)其進(jìn)行改造，采用螺絲連接，并在連接處放入膠皮，使其密閉，改造后通風(fēng)效果大大改善，完全滿足通風(fēng)需要。

圖3 玻璃鋼風(fēng)筒

應(yīng)對(duì)豎井井筒熱害，還可以研制冷卻服保護(hù)井下工作人員，通過冷卻服內(nèi)的物質(zhì)吸收熱量來(lái)防止熱環(huán)境對(duì)人體的傷害；最有效的防護(hù)措施是采用制冷空調(diào)，把空調(diào)安裝在吊盤上，調(diào)節(jié)和改善井下作業(yè)的氣候條件。

3 防水及排水

立井施工中地下水嚴(yán)重影響施工進(jìn)度與質(zhì)量，隨著井筒深度的不斷增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，含水層水量比較大、壓強(qiáng)高，而受水泵限制，千米立井深部排水存在問題。為保證安全施工，預(yù)防淹井事故，在立井不同高度增設(shè)水泵房或利用馬頭門做臨時(shí)水泵房，若涌水量較小，可以用吊桶排水，若涌水量較大，用吊桶排水同時(shí)，抽水到水泵房，再排到井口。若涌水相當(dāng)大，采用凍結(jié)法施工或注漿法施工。

湖南漣邵建設(shè)工程(集團(tuán))有限責(zé)任公司承包馬城鐵礦3#主井，基巖段-499～-653 m為細(xì)砂巖含水層，井筒施工至-510 m工作面時(shí)，涌水量達(dá)120 m3/h，細(xì)砂巖含水層存在裂隙細(xì)小、漿液擴(kuò)散半徑小、注漿壓力大等問題，通過湖南寶山鉛鋅礦箕斗主井的探索與實(shí)踐，提出了雙層圈椎形帷幕減量法注漿施工，此方法漿液擴(kuò)散半徑增大3.2～3.5倍，在井壁以外按先初期強(qiáng)度高的水泥-水玻璃膠結(jié)體，后初期強(qiáng)度低的水泥膠結(jié)體的順序依次凝結(jié)填塞裂隙，漿液膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度大。由于布孔較密，漿液擴(kuò)散半徑大，注漿量少，漿液膠結(jié)體在井筒以外含水層中形成一個(gè)椎形帷幕，將含水層的水封堵在井筒掘進(jìn)輪廓線以外，以較少的漿液注入量達(dá)到封堵含水層涌水效果；采用雙圈錯(cuò)位布孔，有利于尋找更多的裂隙，提高注漿效果；采用防噴鉆進(jìn)技術(shù),在防噴裝置的保護(hù)下進(jìn)行鉆進(jìn),一旦突水,可在不拔出鉆桿的情況下關(guān)閉防噴裝置,保證了施工人員安全,防止淹井事故的發(fā)生。

4 機(jī)械配套

豎井施工機(jī)械合理配套是提高進(jìn)度的重要保證[4]。根據(jù)豎井的規(guī)格、地質(zhì)條件、施工隊(duì)伍的水平合理優(yōu)化各工序設(shè)備，相互協(xié)調(diào)，減少閑置時(shí)間，增加效率。

豎井施工每一循環(huán)中，出矸時(shí)間占到40%～50%，根據(jù)井口大小合理配置抓巖機(jī)、吊桶及提升機(jī)的選型，充分發(fā)揮抓巖機(jī)抓矸能力；井壁砌筑高度大，可以有效提高掘進(jìn)速度，但鋼模高度要與傘鉆打眼深度相匹配，傘鉆一次爆破深度稍大于一次井壁砌筑高度，這樣無(wú)需打連炮，甚至還可能打連模(澆筑完混凝土直接出矸，再進(jìn)行澆筑)。

李家灣錳礦主井井口標(biāo)高為+871 m，井底標(biāo)高為-250 m，井筒深1 121 m，凈直徑為5.5 m，掘進(jìn)凈直徑為6.1 m，雙鉤提升，主提型號(hào)為2JKZ-3.0/15.5，配功率為1 000 kW、電壓為10 kV電動(dòng)機(jī)，3 m3吊桶；副提型號(hào)為JK-3/18.5，配功率為1 000 kW、電壓為10 kV電動(dòng)機(jī)，3 m3吊桶；井下采用HZ-6型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)；鑿巖爆破采用SYJ5.6型傘鉆，六角中空鉆桿長(zhǎng)4.7 m，直徑為25 mm，釬尾為159 mm，鉆頭為Y型，直徑為55 mm；澆筑井口采用2臺(tái)0.75 m3攪拌機(jī)，井下采用MJY型整體下滑式金屬模板，段高為4.35 m。2014年3月掘支超過150 m，連續(xù)8個(gè)月掘支超過110 m。通過實(shí)踐證明，此套機(jī)械的性能得到充分發(fā)揮，各機(jī)械閑置時(shí)間大大減少，加快了施工進(jìn)度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

在井筒直徑允許的情況下，采用多鉤提升，大直徑提升機(jī)配大吊桶，井下采用大方量抓巖機(jī)能有效提高出矸效率，減少機(jī)械閑置時(shí)間；在巖石條件允許的情況下，采用打深眼(5 m左右)的傘鉆，配段高4 m左右的整體下滑式金屬模板，井口采用大方量攪拌機(jī)，能有效提高澆筑效率，從而加快施工進(jìn)度；其次同一功能的穩(wěn)車盡量選擇同一廠家型號(hào)，確保速度相同，避免發(fā)生鋼絲繩打絞事故。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)深井建設(shè)尚處在萌芽階段，在淺部工程中形成的理論、設(shè)計(jì)和技術(shù)體系進(jìn)入到深部狀態(tài)已經(jīng)部分或嚴(yán)重失效[5]，所以還有很多技術(shù)難題需要探索和解決。通過李家灣錳礦的實(shí)踐，豎井施工采用玻璃鋼風(fēng)筒，很好地解決了傳統(tǒng)風(fēng)筒漏風(fēng)嚴(yán)重問題，有效降低井筒內(nèi)溫度，改善作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率；李家灣的機(jī)械配套和馬城鐵礦的注漿法創(chuàng)新為千米立井設(shè)備選型、防治水提供了經(jīng)驗(yàn)，加快了施工速度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨著鑿巖深度增加，巖石的夾制作用越來(lái)越大，有效爆破深度就會(huì)縮小，為提高穩(wěn)模效率，減少井筒內(nèi)鋼絲繩數(shù)量，需要研制新型自動(dòng)調(diào)平的鋼模。立井施工逐步向節(jié)能、高效、安全及保證有良好的工作環(huán)境發(fā)展。

[1] 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程 [M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[2] 陳大力.錨桿支護(hù)新技術(shù)與產(chǎn)品選型、設(shè)計(jì)及事故防范處理實(shí)務(wù)全書[M].北京:中國(guó)知識(shí)出版社，2005.

[3] 劉永文，王新剛，馮春喜，等.灌漿材料與施工工藝 [M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2008.

[4] 溫洪志，楊福輝，黃成麟.大強(qiáng)煤礦千米立井井筒快速施工技術(shù)[J]. 煤炭工程，2012(12):27-30.

[5] 何滿潮.深部軟巖工程的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(8):1409-1417.

2015-03-09)

韓天宇(1990— )，男，助理工程師，417000 湖南省婁底市。