千米竖井掘进施工难点及解决方法

韩天宇 王永柱

(湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司)

千米竖井掘进施工难点及解决方法

韩天宇 王永柱

(湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司)

随着国内浅部矿产资源的枯竭，矿山相继转入深井开采，千米级竖井建设逐年增多。通过理论与实践相结合，对井筒支护、岩爆防治、通风降温、防水、排水、施工机械配套等问题进行探讨和分析，提出有效的解决措施。结果表明，改善施工环境，合理配置机械设备，既保证施工安全，又加快了施工进度。

深井开采 岩爆 通风降温 防水 排水

矿产资源由浅部向深部开发是客观的必然发展规律，国外很多矿山早已进入深部开采，南非Driefontein金矿开采于地面2 500 m以下，瓦乐瑞富矿开采深度已达4 800 m；国内目前亦有很多千米深井，如山东淄博唐口矿主井、副井、风井，贵州铜仁李家湾锰矿主井、副井，辽宁本溪思山岭铁矿与大台沟铁矿也有多条千米级竖井在建设中。随着开采深度的增加，地质条件越来越复杂，出现突发性地质灾害、作业环境恶化等一系列问题。我国深井建井技术尚处于起步阶段，通过解决相关技术难题，不仅可以使施工更加安全、快速，也使我国深井施工技术迈向一个新台阶。

1 支护及岩爆防治

当井筒开挖后，爆破会对井壁产生影响，使一定范围内的围岩松动、出现裂缝，岩石的整体强度与承载能力会降低。随着井筒深度增加，地压越来越大，岩石在载荷的作用下，发生变形，随载荷的不断增加，或在载荷作用下随着时间的增长，岩石变形就会逐渐增大，最终导致岩石破坏[1]，即岩爆。岩爆有抛掷、弹射、剥落等形式，严重危害井下工作人员和设备的安全。

目前我国深井基本是混凝土支护，但支护前可能发生岩爆，单纯的混凝土支护不能对井下工作人员起到保护作用，且混凝土为刚性结构，随着井筒服务年限的增加，岩石变形逐渐增大，混凝土支护很难适应。为预防岩爆的发生，保证施工与后期井筒的安全，采用机械式涨壳预应力中空注浆锚杆与楔缝式锚杆间隔使用，与钢筋网对井壁进行初支护(图1)，若围岩破碎或暴露时间较长，则需进行喷浆，最后进行混凝土支护。

图1 井壁锚网喷支护展开示意

锚杆的间距根据浆液的扩散半径确定，而浆液的有效扩散半径与围岩裂隙状态、裂隙开度、注浆材料的流动性、注浆压力等诸多因素有关，根据注浆试验和矿山类比法，确定锚杆间距为600～1 000 mm。

目前以董方庭教授为首研究的围岩松动圈的支护在平巷中广泛运用。当竖井开挖后，同样会产生围岩松动圈，并且随着井筒深度增加，压力增大，产生松动圈的时间就会减少，当围岩应力超过围岩强度而未进行支护时，就会发生地质灾害[2]。围岩松动圈的最主要属性是其厚度，可以通过超声波围岩松动圈测试仪或多点位移计进行测量，围岩松动圈的厚度就是锚杆要锚固的长度，通过工程类比法，确定锚杆长度为1 500～2 000 mm。

机械式涨壳预应力中空注浆锚杆与楔缝式锚杆都属于预应力锚杆，预应力锚杆可以有效抑制节理面间的剪切变形和提高岩体的整体强度，完整或质量好的岩石具有较高的承载能力，当井筒爆破后，井壁受到爆破震动影响，产生变形、裂隙，会严重降低开挖附近围岩的整体强度，楔缝式锚杆与机械式涨壳预应力中空注浆锚杆打入围岩后，后者进行注浆，注浆液充填于岩石裂隙与弱节理面，改善围岩物理力学性质和其所处的不良状态，使锚杆全长范围内的围岩形成一个整体，加强围岩的自身承载能力，最后按设计要求进行混凝土支护(图2)。

图2 井筒支护横剖示意

注浆效果与注浆材料的选择关系很大，小于岩石颗粒的注浆液有利于进入岩石裂隙和弱节理面，更好地胶结围岩。综合目前的注浆材料，选择有机化学材料最适合，可以充分充填岩隙[3]，提高其抗压能力，并减少井壁渗水。

2 通风降温

随着井筒深度不断加大，围岩温度不断升高，加上爆破产生的热量、机械设备放热等致使井筒内温度不断升高。在高温环境下工作，人体可能出现无力、口渴、脉搏加快、体温升高、水盐平衡失调等症状，降低工作效率。最常见的降温方式是通风。

目前市场上采用最多的是布风筒，质量轻，运输方便，价格低廉，但易破损，漏风严重，更换不方便。贵州铜仁李家湾锰矿主井深1 121 m，井口及吊盘以上30 m左右采用布风筒，方便接风筒和起落盘，中间采用玻璃钢风筒，较好地解决了漏风问题。玻璃钢风筒分为2节，大头套小头，采用麻绳加固体胶处理(图3)，连接处存在漏风现象。后对其进行改造，采用螺丝连接，并在连接处放入胶皮，使其密闭，改造后通风效果大大改善，完全满足通风需要。

图3 玻璃钢风筒

应对竖井井筒热害，还可以研制冷却服保护井下工作人员，通过冷却服内的物质吸收热量来防止热环境对人体的伤害；最有效的防护措施是采用制冷空调，把空调安装在吊盘上，调节和改善井下作业的气候条件。

3 防水及排水

立井施工中地下水严重影响施工进度与质量，随着井筒深度的不断增加，地质结构也比较复杂，含水层水量比较大、压强高，而受水泵限制，千米立井深部排水存在问题。为保证安全施工，预防淹井事故，在立井不同高度增设水泵房或利用马头门做临时水泵房，若涌水量较小，可以用吊桶排水，若涌水量较大，用吊桶排水同时，抽水到水泵房，再排到井口。若涌水相当大，采用冻结法施工或注浆法施工。

湖南涟邵建设工程(集团)有限责任公司承包马城铁矿3#主井，基岩段-499～-653 m为细砂岩含水层，井筒施工至-510 m工作面时，涌水量达120 m3/h，细砂岩含水层存在裂隙细小、浆液扩散半径小、注浆压力大等问题，通过湖南宝山铅锌矿箕斗主井的探索与实践，提出了双层圈椎形帷幕减量法注浆施工，此方法浆液扩散半径增大3.2～3.5倍，在井壁以外按先初期强度高的水泥-水玻璃胶结体，后初期强度低的水泥胶结体的顺序依次凝结填塞裂隙，浆液胶结体抗压强度大。由于布孔较密，浆液扩散半径大，注浆量少，浆液胶结体在井筒以外含水层中形成一个椎形帷幕，将含水层的水封堵在井筒掘进轮廓线以外，以较少的浆液注入量达到封堵含水层涌水效果；采用双圈错位布孔，有利于寻找更多的裂隙，提高注浆效果；采用防喷钻进技术,在防喷装置的保护下进行钻进,一旦突水,可在不拔出钻杆的情况下关闭防喷装置,保证了施工人员安全,防止淹井事故的发生。

4 机械配套

竖井施工机械合理配套是提高进度的重要保证[4]。根据竖井的规格、地质条件、施工队伍的水平合理优化各工序设备，相互协调，减少闲置时间，增加效率。

竖井施工每一循环中，出矸时间占到40%～50%，根据井口大小合理配置抓岩机、吊桶及提升机的选型，充分发挥抓岩机抓矸能力；井壁砌筑高度大，可以有效提高掘进速度，但钢模高度要与伞钻打眼深度相匹配，伞钻一次爆破深度稍大于一次井壁砌筑高度，这样无需打连炮，甚至还可能打连模(浇筑完混凝土直接出矸，再进行浇筑)。

李家湾锰矿主井井口标高为+871 m，井底标高为-250 m，井筒深1 121 m，净直径为5.5 m，掘进净直径为6.1 m，双钩提升，主提型号为2JKZ-3.0/15.5，配功率为1 000 kW、电压为10 kV电动机，3 m3吊桶；副提型号为JK-3/18.5，配功率为1 000 kW、电压为10 kV电动机，3 m3吊桶；井下采用HZ-6型中心回转式抓岩机；凿岩爆破采用SYJ5.6型伞钻，六角中空钻杆长4.7 m，直径为25 mm，钎尾为159 mm，钻头为Y型，直径为55 mm；浇筑井口采用2台0.75 m3搅拌机，井下采用MJY型整体下滑式金属模板，段高为4.35 m。2014年3月掘支超过150 m，连续8个月掘支超过110 m。通过实践证明，此套机械的性能得到充分发挥，各机械闲置时间大大减少，加快了施工进度，创造了可观的经济效益。

在井筒直径允许的情况下，采用多钩提升，大直径提升机配大吊桶，井下采用大方量抓岩机能有效提高出矸效率，减少机械闲置时间；在岩石条件允许的情况下，采用打深眼(5 m左右)的伞钻，配段高4 m左右的整体下滑式金属模板，井口采用大方量搅拌机，能有效提高浇筑效率，从而加快施工进度；其次同一功能的稳车尽量选择同一厂家型号，确保速度相同，避免发生钢丝绳打绞事故。

5 结 语

我国深井建设尚处在萌芽阶段，在浅部工程中形成的理论、设计和技术体系进入到深部状态已经部分或严重失效[5]，所以还有很多技术难题需要探索和解决。通过李家湾锰矿的实践，竖井施工采用玻璃钢风筒，很好地解决了传统风筒漏风严重问题，有效降低井筒内温度，改善作业环境，提高作业效率；李家湾的机械配套和马城铁矿的注浆法创新为千米立井设备选型、防治水提供了经验，加快了施工速度，创造了可观的经济效益。随着凿岩深度增加，岩石的夹制作用越来越大，有效爆破深度就会缩小，为提高稳模效率，减少井筒内钢丝绳数量，需要研制新型自动调平的钢模。立井施工逐步向节能、高效、安全及保证有良好的工作环境发展。

[1] 蔡美峰.岩石力学与工程 [M].北京:科学出版社，2002.

[2] 陈大力.锚杆支护新技术与产品选型、设计及事故防范处理实务全书[M].北京:中国知识出版社，2005.

[3] 刘永文，王新刚，冯春喜，等.灌浆材料与施工工艺 [M].北京:中国建材工业出版社，2008.

[4] 温洪志，杨福辉，黄成麟.大强煤矿千米立井井筒快速施工技术[J]. 煤炭工程，2012(12):27-30.

[5] 何满潮.深部软岩工程的研究进展与挑战[J]. 煤炭学报，2014，39(8):1409-1417.

2015-03-09)

韩天宇(1990— )，男，助理工程师，417000 湖南省娄底市。