深部高應(yīng)力膨脹巖中礦石溜井優(yōu)化設(shè)計和施工技術(shù)

魏超城，肖祖昕，王忠江

(新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司， 新疆 阿勒泰市 836700)

0 引言

隨著阿舍勒銅礦上采區(qū)資源量減少，礦山為了可持續(xù)發(fā)展，正逐步向礦山深部延深開采。目前，阿舍勒銅礦深度已達1242 m，屬典型的千米深井膨脹巖層環(huán)境，為施工帶來了巨大困難[1]。

根據(jù)阿舍勒銅礦現(xiàn)有溜破系統(tǒng)，深部0 m水平以上的溜破系統(tǒng)在使用過程中暴露出了很多問題。由于深井環(huán)境存在高地應(yīng)力膨脹巖，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，圍巖以凝灰?guī)r為主，呈明顯的片狀結(jié)構(gòu)，遇水易軟化泥化等，-50 m水平溜破系統(tǒng)的溜井出現(xiàn)多次井筒變形、堵塞甚至垮塌的現(xiàn)象。為防止在新建溜井使用中出現(xiàn)類似變形垮塌現(xiàn)象，提出以200 mm×200 mm網(wǎng)度規(guī)格焊接雙層鋼筋網(wǎng)片作為配筋，500 mm厚度C30強度混凝土為井壁砼，以及組合U形鋼拱圈和錳鋼板等加固礦石溜井設(shè)計方案，其礦石溜井示意見圖1。

圖1 礦石溜井示意

1 巖石力學參數(shù)分析

為了保證施工安全，確定施工設(shè)計，阿舍勒銅礦委托長沙礦山研究院有限責任公司于礦山深部溜井附近進行巖體取樣單軸拉壓破壞測試以及地應(yīng)力測算，巖石力學相關(guān)參數(shù)見表1，具體地應(yīng)力分量測試結(jié)果見表2。

地應(yīng)力測算結(jié)果表明，最大主應(yīng)力位于近東西方向（傾角12°、近水平）中間主應(yīng)力位于近南北方向（傾角3°、近水平），最小主應(yīng)力近垂直，水平分量主應(yīng)力均高于垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)（水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比）最大約達 1.5，水平應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力[2]。

表1 巖石力學相關(guān)參數(shù)

表2 地應(yīng)力分量測試結(jié)果

已有的礦石溜井井壁多次出現(xiàn)剪切破壞，尤其是井下巷道與最大主應(yīng)力東西方向垂直時，巷道兩幫膨脹變形現(xiàn)象最為嚴重，因此，綜合測試和實際破壞現(xiàn)象得出，礦區(qū)主要以水平方向的構(gòu)造應(yīng)力破壞為主[3]。

2 溜井設(shè)計

2.1 溜井結(jié)構(gòu)

礦石溜井井壁和斜溜槽采用鋼筋砼支護，均需摻加鋼纖維，規(guī)格為34 kg/m3，混凝土強度C30。

礦石溜井井壁配筋采用Φ18 mm螺紋鋼焊接成預(yù)制網(wǎng)片，規(guī)格為1.2 m×1.5 m，網(wǎng)度為200 mm× 200 mm，采用雙層鋼筋網(wǎng)布置，搭接部位必須交錯布置，采用鐵絲綁扎，搭接長度300 mm[4]。

通常井壁砼厚度為500 mm，配筋采用雙層鋼筋網(wǎng)片，沖刷加固段（斜溜槽出口段和放礦機段）井壁砼厚度800 mm，配筋采用三層鋼筋網(wǎng)片。配筋保護層厚度50 mm。

井壁加固的U形鋼拱圈，沿垂直方向每1 m布置一組U25型鋼拱圈（一組4根），巖石破碎和硐室開口上下口交界處需相應(yīng)加密。U25型拱圈放置在鋼筋網(wǎng)中間，并跟水泥卷錨桿形成整體結(jié)構(gòu)，在斜溜槽開口處，應(yīng)將其和斜溜槽的工字鋼焊接成整體。

斜溜槽對面的井壁外襯錳鋼板厚度為4 cm，規(guī)格為0.6 m×1.5 m。采用螺栓連接。錳鋼板應(yīng)預(yù)制成直徑Φ4 m的弧形，并在錳鋼板上施工5個螺紋孔（4個安裝孔，1個吊裝孔），螺栓型號為M30×200，采用M30螺母連接。井壁施工長1.5 m，直徑22 mm的錨桿。螺栓墊片采用規(guī)格為150 mm×150 mm，厚15 mm鋼板制作，孔徑為40 mm，最上層錳鋼板螺栓處應(yīng)加焊錳鋼板進行防護。

2.2 技術(shù)說明

2.2.1 錳鋼板加固

錳鋼板制作有兩種類型：Φ4 m的礦石溜井，采用Φ4 m的圓弧，規(guī)格為600 mm～1000 mm；Φ5 m的礦石溜井（儲礦段），采用Φ5 m的圓弧，規(guī)格為600 mm×1000 mm，厚度均為40 mm。安裝時上下左右緊密靠近，要求采用防松螺母加固牢靠，生根扁鋼內(nèi)插入螺紋鋼連筋，鐵絲綁扎在鋼筋網(wǎng)片上。其礦石溜井錳鋼板安裝見圖2[5]。

2.2.2 錨桿支護

錨桿用于刷擴完成后巖壁的臨時支護以及鋼筋網(wǎng)片、U型鋼拱圈的安裝和支護支點。采用Φ22 mm 螺紋鋼水泥卷錨桿進行支護，錨桿長度為2.7 m，錨固長度為2.35 m，外露0.45 m。錨桿孔設(shè)計間距為1 m，排間距為1 m。每隔4 m施工一排Φ32 螺紋鋼水泥卷錨桿用于搭建施工平臺。

2.2.3 配筋網(wǎng)片

配筋網(wǎng)片采用Φ18 mm螺紋鋼在地表預(yù)制焊接成網(wǎng)片，再運往溜井井筒內(nèi)進行直接綁扎拼接。焊接網(wǎng)片規(guī)格為1.2 m×1.5 m，網(wǎng)度為200 mm×200 mm。以井壁上已經(jīng)安裝好的水泥卷螺紋鋼錨桿作為支點進行安裝。上下之間配筋網(wǎng)交錯搭接，搭接長度不少于300 mm，采用專用捆綁絲綁扎。雙層配筋網(wǎng)時，網(wǎng)片之間間距為400 mm，混凝土保護層厚度為50 mm；三層配筋網(wǎng)片時，網(wǎng)片之間間距為350 mm，混凝土保護層厚度也為50 mm。采用提前預(yù)制網(wǎng)片的方法可以快速安裝配筋網(wǎng)片，保證強度的情況下縮短施工周期。

2.2.4 外襯鋼軌

在配筋網(wǎng)片外襯一圈L形輕軌用于抵抗水平構(gòu)造應(yīng)力。采用24 kg/m的輕軌，于地表加工成L形，分為4.5 m長和2.5 m長兩種規(guī)格，通常情況下，井壁采用4.5 m規(guī)格，溜井井筒與斜溜槽連接處采用2.5 m規(guī)格。輕軌之間間距取20～25 cm，每進尺4 m循環(huán)的井筒一周鋼軌數(shù)量為50根。

2.2.5 井壁砼

礦石溜井井壁砼采用水泥標號為425，強度為C30，混凝土配置過程中按照34 kg/m3的規(guī)格添加 鋼絲纖維。水灰比為0.43∶1，每立方米混凝土中材料用量為：水泥409 kg、水176 kg、砂559 kg、5～20 mm塊度卵石392 kg以及20～40 mm塊度卵石914 kg。經(jīng)上部施工硐室的自落式混凝土攪拌機攪拌后通過溜灰管送至模具中。配制好后的混凝土塌落度需控制在55～70 mm。

圖2 礦石溜井錳鋼板安裝(單位：mm)

2.2.6 U形鋼拱圈支護

U形鋼拱圈采用25U型鋼制作，Φ4 m的礦石溜井，使用Φ4.5 m的圓弧，長度為5200 mm，每3根一組，搭接長度為450 mm；Φ5 m的礦石溜井，使用Φ5.5的圓弧，長度為4770 mm，每4根一組，搭接長度為450 mm，搭接處使用2個U卡固定。垂直方向每1 m布置一組，放置在鋼筋網(wǎng)中間，并跟水泥卷錨桿形成整體結(jié)構(gòu)。在斜溜槽開口處，應(yīng)將其和斜溜槽的工字鋼焊接成整體。礦石溜井U形鋼支護安裝如圖3所示。

圖3 礦石溜井U型鋼支護安裝(單位：mm)

2.3 施工步驟

（1）反井施工。每50 m一段溜井進行反井施工，先由反井鉆機施工Φ150 mm導孔，之后從底部往上通過反井刀盤施工至Φ2.5 m小井。施工周 期約20 d。

（2） 刷擴施工。施工時，以進尺4 m為一個工作循環(huán)，自上而下刷擴澆筑工作。刷擴至Φ5 m掘進斷面，澆筑500 mm混凝土后為Φ4 m溜井斷面。工作流程按照刷擴—清渣—打錨桿—安裝配筋網(wǎng)片以及U型鋼拱圈—焊接外襯鋼軌—安裝澆筑鋼模板以及混凝土澆筑—拆模清底進行并準備下一工作循環(huán)，平均每7～8 d完成一個工作循環(huán)?；炷撩繚仓?00 m3時，取樣制作3個批次混凝土試樣塊，分別養(yǎng)護3 d、7 d和28 d后送至第三方檢測機構(gòu)進行強度檢驗。

（3）放礦機安裝。礦石溜井底部6 m進行放礦機基礎(chǔ)施工和澆筑，井壁砼800 mm，配筋網(wǎng)片3層。

2.4 使用效果

對新建的礦石溜井和已有的深部2#礦石溜井進行對比研究。新建的礦石溜井在抵抗水平方向上的地應(yīng)力時表現(xiàn)更佳，井筒沒有出現(xiàn)明顯的形變，更沒有出現(xiàn)在舊溜井中經(jīng)常出現(xiàn)的剪切破壞、井筒堵塞現(xiàn)象。其中雙層配筋混凝土、U型鋼拱圈以及L形輕軌是溜井對抗水平地應(yīng)力的主要組成部分，鋼筋網(wǎng)片的搭接使得分段施工的井筒成為一個整體。

3 結(jié)論

礦石溜井是礦山的咽喉，深部礦石溜井在高地應(yīng)力條件下出現(xiàn)的形變甚至垮塌是目前礦山要預(yù)防的重點問題。溜井垮塌頻繁，后續(xù)治理困難，所以在溜井建設(shè)之初就應(yīng)針對高應(yīng)力條件進行針對性的加固，減少疏通溜井所需人力物力財力和時間成本。阿舍勒銅礦實踐證明，與傳統(tǒng)不加固溜井相比，雙層配筋C30混凝土澆筑的設(shè)計能承受更高的地壓，防止井筒形變；U型鋼支護可以和井壁中的水泥卷錨桿形成一個支護整體，進一步提高了支護能力；礦石沖刷段的外襯錳鋼板能夠有效降低礦石對溜井井壁沖刷造成的井壁破損和垮塌。阿舍勒銅礦深部高應(yīng)力膨脹巖中的溜井優(yōu)化設(shè)計可為類似礦山提供借鑒。