丰山铜矿主溜井垮塌原因分析

马 杰

(大冶有色设计研究院有限公司, 湖北黄石市 435005)

丰山铜矿主溜井垮塌原因分析

马 杰

(大冶有色设计研究院有限公司, 湖北黄石市 435005)

针对丰山铜矿修复加固前后均发生连续垮塌的情况,分析总结了垮塌机理和原因,对类似出矿量大、服务年限长的溜井维护管理有借鉴意义。

溜井垮塌;岩体结构;滑塌体;维护管理

丰山铜矿是大冶有色金属公司的主要生产矿山,矿床含铜、金、银、钼等多种金属,可选性好,地理条件优越,井下矿石生产规模为 2200t/d。

丰山铜矿原主溜井的结构形式为多中段卸矿单段垂直溜井,直径为 5m,标高从-150m到-320 m,未支护,主要承担-150,-200,-260m3个中段的矿石集贮与转运。1999年建成投入使用。

1 垮塌状况

2007年 5月,矿山例行安全检查时发现主溜井垮塌严重(见图1)。经放矿后检测,井筒内净空跨度最大有 15m,最小也有 9m,垮塌量有 6000多m3。

图1 主溜井破坏复合断面和修复加固

该主溜井是丰山铜矿矿石提升的唯一通道,为防止垮塌进一步加大,2007年底用时 2.5个月进行了修复加固。2008年 4月安全检查时又发现主溜井再次垮塌且垮塌的宽度较支护前增加了 2.8m,长度向东南延伸了约 4m,主溜井破坏边界距离主井最短距离小于 8m,距-260m卸矿绕道西段的距离缩短,-260m卸矿绕道东段已破坏(见图1)。

2 工程地质

丰山铜矿原主溜井的围岩主要为大理岩、白云石大理岩、蚀变大理岩(蛇纹石化),其中穿插花岗闪长斑岩。受热接触变质作用,岩浆侵入围岩中,其热力使碳酸盐岩发生重结晶变质为大理岩-白云石大理岩。其中蚀变大理岩颜色为黑灰色,块状,岩石稳固性较差。

岩石岩溶作用中等,裂隙较发育,裂隙密度为 2～12条 /m,岩石普氏系数 f=6～8,RQD值 70%～90%,单轴抗压强度δc=85～105MPa。岩体被多组不同方向的节理所切割,易产生冒顶或片帮;围岩蚀变强烈,绿泥石化、蛇纹石化、高岭石化十分普遍,强蚀变岩石遇水即软化、泥化,易自然垮落。

3 垮塌机理分析

一般情况下,溜井井筒由于受溜放矿石的冲击磨损作用,溜井断面不断被磨大,而溜井的磨损速度会逐渐降低。由于溜井磨损后,断面不断地增大,矿石下落时向中心落矿的趋势逐渐发展,矿石对溜井井壁的冲击次数随之减少,井筒围岩趋于稳定。

丰山铜矿主溜井使用近 9a,井筒内围岩垮塌净空跨度最大有 15m,最小也有 9m,较设计大数倍,井筒修复加固后不到半年,又重新垮塌且垮塌程度和速度较修复加固前更严重。

决定井下工程围岩稳固性的自然因素中,岩体的结构是关键因素。丰山铜矿主溜井围岩裂隙较发育,裂隙密度为 2～12条 /m,岩体被多组不同方向的节理切割形成天然不连续地质结构面,导致开挖体岩体结构破坏。

从两次井筒垮塌复合图和修复加固时的现场观察,有裂隙带沿垮塌长轴方向穿过井筒,标高位于-230～-310m间,且岩体被多组不同方向的节理所切割,存在大量潜在滑塌体,贮放矿不停地扰动块体平衡,使脱离块体平衡的块体随矿石被放出,井筒断面因此逐渐增大,而更大量的潜滑块体发生联锁滑塌使井筒垮塌不断向深部扩展。

4 修复加固后的垮塌原因分析

加固方案:主溜井-200m以上采用锚网喷加固,-200m以下暂时只修复长轴方向的凹陷部分,使修复后的两面墙间距为 8m。钢筋混凝土壁厚 1 m,外围充实低标号混凝土。历时两个半月施工,用混凝土 5000m3,钢材 300多 t(见图1)。修复后很快垮塌,主要原因为:

(1)施工时为保证施工安全,对井壁的浮石进行了清理,使井筒断面、围岩暴露面积增大,潜在滑塌体、关键块增多。

(2)壁后充填低标号混凝土经多次倒运下放,到工作面时,已发生离析,由于充填壁厚量大,当振动棒未打到位时,其充填密实度、强度达不到设计要求时,只是一堆松散体。

(3)施工方案只是加固垮塌长轴方向,未整体加固。井下空气的湿度大,浇灌混凝土水化产生的热量使井筒温度升高,湿度变大。主溜井围岩蚀变强烈,绿泥石化、蛇纹石化、高岭石化十分普遍,强蚀变岩石遇水即软化、泥化,易自然垮落。未加固的围岩软化、泥化,自然垮落,使松散充填体暴露出来,松散体流动性大,随着贮放矿的冲击挠动,松散的充填体大量流出,出现壁后大面积的空洞。

(4)壁后空洞的出现,使潜在的滑塌体临空、滑塌,当松散体和新的垮塌围岩随矿石放出后,长轴方向浇筑的两堵墙孤立于井中,井筒断面变大,随着垮塌面增大,潜在滑塌体发生联锁滑塌,破坏程度增大。

(5)孤立于井中长轴方向浇筑的两堵墙随着壁后滑塌体的联锁滑塌和放矿冲击,井壁薄弱部位由于受力不均开始破坏、垮塌。

(6)破碎带以外的井筒上下部围岩解理发育,井筒内矿石放空时,上部围岩因悬空面积过大,大量片帮冒顶,下部围岩受上部大量片帮冒顶冲击,断面变大。

5 结束语

实践告诉人们当溜井通过矿石量大、服务年限较长时应注意:

(1)当溜井采用不支护设计时,溜井所穿过的岩层要求必须避开裂隙发育地带、褶皱、溶洞、断层和破碎地带且岩层稳定整体性好。应充分考虑溜井垮塌后的影响,与其它竖井、硐室、巷道安全距离尽可能大一些。

(2)对于节理裂隙发育的溜井,垮塌后的加固应采取井筒整体钢性加固,对裂隙发育、垮塌后充填地段要采取壁后注浆固化处理,减少潜在的滑塌体的数量。

(3)主溜井是矿山生产出矿咽喉要道,平时要加强检查和监护,出现异常情况及时研究处理,否则垮塌严重时,维修处理时施工安全、施工质量、处理效果保证难度大,工程投资大且影响矿山生产时间长。

[1] 宋嘉栋,等.丰山铜业有限公司主溜井改造技术研究[R].长沙:长沙矿山研究院,2009,7.

[2] 徐小荷.采矿手册第 2卷[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[3] 候鹏翔.采矿设计手册井巷工程卷[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.

[4] 王清来.武山铜矿新南副井井壁开裂浅析[J].有色金属(矿山部分),2000,(3):20～23.

[5] 路增祥.主溜井及矿仓的复合加固工艺[J].金属矿山,2006,(2).

2010-01-28)

马 杰(1974-),男,湖北天门人,工程师,主要从事矿山建井技术与管理工作,Email:majie@dyys.com。