三道莊礦破碎站溜礦井垮塌機(jī)理與工程治理研究

張 超，彭府華

（1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 洛陽 471500；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

三道莊礦為國內(nèi)一大型露天鉬礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30 000 t／d，目前運(yùn)行的4＃破碎站溜礦井為礦山主要供礦點(diǎn)，承擔(dān)著部分選礦公司的供礦任務(wù)，日破碎輸送礦石量約1.6萬t。4＃破碎站地面標(biāo)高為1 378 m，其溜礦井井筒凈直徑3.0 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 369.65～1 315.5 m，高度54.15 m，溜礦井下部設(shè)計(jì)裝礦硐室，高13.5 m，溜礦井在井口以下有3 m高度的鋼筋混凝土襯砌，其余均為裸露的巖壁［1，2］。

1 工程背景

2016年3月，出礦過程開始出現(xiàn)大塊巖石，通過三維激光掃描儀器對(duì)該溜礦井實(shí)際形態(tài)進(jìn)行掃描分析，發(fā)現(xiàn)溜礦井東北部井壁出現(xiàn)局部垮塌，垮塌區(qū)域的最大直徑已接近13.0 m，部分破碎站基礎(chǔ)處于垮塌區(qū)上方。溜礦井結(jié)構(gòu)及垮塌形態(tài)示意如圖1所示。

2 破碎站巖體工程地質(zhì)特征

4＃破碎站地區(qū)主要地層為三川組地層（zjs1），分上下兩個(gè)巖性段，下段（zjs1）為黑云母長英角巖，上段主要為含石榴子石硅灰石大理巖（zjs2-2（G＋D））。溜礦井坍塌位置巖性為含石榴子石硅灰石大理巖，受斷層影響，裂隙、層理十分發(fā)育，巖層傾向北東，傾角10°～15°左右。3＃、4＃號(hào)斷層破碎帶距離4＃破碎站較近，破碎帶充填物為土狀物質(zhì)。4＃破碎站東側(cè)存在一露天邊坡，受斷層影響，整個(gè)邊坡風(fēng)化強(qiáng)烈、十分破碎，邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙寬度一般在100～300 mm，邊坡節(jié)理發(fā)育情況也表明溜礦井井壁巖體節(jié)理發(fā)育、裂隙寬度較大。

3 溜礦井坍塌機(jī)理分析

3.1 工程地質(zhì)條件影響

溜礦井垮塌破壞主要由于該區(qū)域巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，存在兩條較大斷層破碎帶，加之放礦過程中破碎礦石不斷沖擊溜礦井井壁，使井壁不斷磨損，造成溜礦井的斷面尺寸逐漸擴(kuò)大，當(dāng)溜礦井?dāng)嗝鏀U(kuò)大到一定程度時(shí)，溜礦井井壁喪失了穩(wěn)定性，則出現(xiàn)片幫和塌方現(xiàn)象。

3.2 放礦對(duì)井壁的摩擦作用

按放礦理論，放出體為橢球體。對(duì)于長溜礦井，放礦過程中，放出體下部存在降落漏斗，上部基本可均勻下降。但由于摩擦的影響，溜礦井中心的礦石一般比邊部的礦石流動(dòng)速度大。

溜礦井底部壓力的計(jì)算常用下式計(jì)算［3］：

式中：σh為溜礦井中單位面積上的垂直壓力／kN·m-2；γ為溜礦井中礦石的容重／kN·m3；R為溜礦井筒的水力半徑／m；μ為礦石與倉壁之間的摩擦系數(shù)；kc為松散礦石的側(cè)壓力系數(shù)。

3.3 礦石倒入溜礦井對(duì)井壁的沖擊作用

礦石倒入溜礦井經(jīng)過自由落體運(yùn)行撞擊礦石堆，經(jīng)反彈后會(huì)撞擊井筒壁，對(duì)井筒壁的沖擊力是造成井壁破壞的重要原因之一。反彈的礦石撞擊井壁，對(duì)井壁的沖擊力可按公式（3）進(jìn)行估算：

式中：m為反彈礦石的質(zhì)量／kg；v為礦石反彈后對(duì)井壁的沖擊速度／m·s-1；t為接觸時(shí)間／s。

從式（3）中可見，反彈礦石對(duì)井壁的沖擊力跟彈射速度成正比關(guān)系，即放礦高度越高，礦石彈射速度也越大，造成的沖擊力越大。因此，可以通過控制放礦高度來調(diào)節(jié)礦石對(duì)井壁產(chǎn)生的沖擊作用。

4 溜礦井垮塌處理方案設(shè)計(jì)

對(duì)溜礦井破壞的現(xiàn)狀與原因進(jìn)行初步分析，溜礦井垮塌主要是由于工程地質(zhì)條件、礦石放礦過程中的磨損及沖擊造成。目前部分垮落區(qū)域已延伸至破碎站基礎(chǔ)柱體下部，如果下一步溜礦井井壁繼續(xù)垮落，井壁垮落范圍越來越大，可能會(huì)影響破碎站整體穩(wěn)定性［4］。因此，治理方案應(yīng)綜合考慮提高上部基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性及避免垮塌區(qū)域進(jìn)一步垮塌破壞。

治理方案考慮以地表雙控張拉錨索束＋微型樁＋井壁錨噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)該溜礦井進(jìn)行綜合治理。通過在地表雙控張拉錨索束＋微型樁可對(duì)地表構(gòu)筑物基體進(jìn)行有效加固，不僅不占用溜礦井停產(chǎn)工期，而且可有效防止上部井壁進(jìn)一步大范圍垮冒；另一方面，還可有效降低錨桿支護(hù)密度，加快井筒內(nèi)施工進(jìn)度，減少對(duì)生產(chǎn)的影響［5～9］。

4.1 地表雙控張拉錨索束

在地表沿溜礦井外圍向井筒內(nèi)壁方向施工雙控張拉錨索鉆孔，每孔安裝6束15.24 mm鋼絞線，錨索按設(shè)計(jì)要求施加預(yù)緊力，孔內(nèi)全長砂漿錨固。共布置錨索束5排25個(gè)鉆孔，排間距2.5 m，相鄰排的鉆孔呈梅花形交錯(cuò)布置，如圖2、圖3所示。

圖2 地表雙控張拉錨索束復(fù)合縱剖面圖

圖3 地表雙控張拉錨索束地表布置平面圖

4.2 微型樁

以地表基礎(chǔ)周邊施工8個(gè)微型鋼管樁加注漿，使得基礎(chǔ)破碎站基礎(chǔ)周圍巖體整體強(qiáng)度得到改性提高，如圖4所示。

圖4 微型樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4.3 井壁錨噴聯(lián)合支護(hù)

在溜礦井內(nèi)部下喇叭口處出現(xiàn)的垮落空區(qū)及破碎巖體在每排錨索束中間位置各布置一排Φ22 mm×1 800 mm砂漿錨桿，在放礦高程上部區(qū)域共布置3排錨桿，同排內(nèi)各錨桿間距1.5 m。井壁表面噴厚度100 mm的鋼纖維混凝土。

對(duì)于放礦高程范圍等沖擊磨損影響大的區(qū)域（-25～-34 m范圍），采用Φ22 mm×1 800 mm砂漿錨桿初步支護(hù)，錨桿排距1.5 m，含9 m放礦范圍及鄰近3 m區(qū)域共布置8排錨桿。錨桿施工完畢后在該區(qū)域表面直接噴射一層100 mm厚的鋼纖維混凝土。

自2016年10月方案實(shí)施后至今，溜礦井累計(jì)放礦量860余萬t，未出現(xiàn)井壁圍巖漸進(jìn)性松弛、裂隙、片幫等垮塌區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展的現(xiàn)象；破碎站基礎(chǔ)未出現(xiàn)不均勻沉降或局部破壞。溜礦井運(yùn)行正常。

5 結(jié) 論

1.三道莊礦4＃溜礦井垮塌破壞主要是由于該區(qū)域巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，存在兩條較大斷層破碎帶，加之放礦過程中破碎礦石不斷沖擊溜礦井井壁，使井壁不斷磨損，造成溜礦井的斷面尺寸逐漸擴(kuò)大，井壁出現(xiàn)片幫和塌方。

2.地表雙控張拉錨索束＋微型樁加固治理技術(shù)對(duì)于松散破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育且有破碎帶的巖層治理效果良好，能夠有效提高圍巖整體性，改善受力狀態(tài)。錨索束鉆孔全長砂漿錨固以及微型樁施工的漿液在松散和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體中有利于擴(kuò)散、充填、膠結(jié)，從而提高溜礦井圍巖的自承能力和上部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；同時(shí)由于注漿體在基礎(chǔ)和溜礦井周圍形成一道隔水帷幕，起到防水滲漏作用，并能提高圍巖的有效應(yīng)力。因地表施工快捷方便，將能夠最大程度地減少溜礦井停止使用的時(shí)間。