寒冷条件矿山竖井施工技术及工程实践

刘温泉

摘要：为克服低温环境对竖井施工的影响，克兹尔-塔什特克铅锌多金属矿从井架保暖、混凝土施工工艺等方面展开了研究和试验工作。采用与井架结构、井筒工程相适应的井架封闭式保暖、燃煤供暖、砂石料保暖、混凝土输送等方法，借助Ⅳ型凿井钢井架、单钩提升、中心回转式抓岩机、金属滑模等施工设施及装备，在人工掘进与机械化设备配合下，最大化减少了寒冷气候对井筒安全、质量、进度的威胁;有效提高了主提升绞车、稳车、天轮等重要设备设施完好率，使完好率达到95 %以上;解决了作业环境温度低造成混凝土强度达不到设计要求的问题，使得井筒混凝土强度达到设计的92 %;如期保质保量地完成了净直径为5.5 m、井深404 m的中央风井施工，为矿山顺利完成“露天转地下”奠定了基础。

关键词：寒冷气候;露天转地下;保暖措施;竖井;掘砌;马头门

中图分类号：TD262文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）10-0046-05doi：10.11792/hj20201009

引 言

克兹尔-塔什特克铅锌多金属矿地处俄罗斯图瓦共和国中部，11月上旬即进入冬季，持续将近7个月，冬季平均气温-28.2 ℃～-32.2 ℃，极寒冷时气温会达到-57 ℃，对竖井施工造成极大影响。矿山自然环境恶劣，气候寒冷、施工黄金期短。该矿山为露天开采矿山，但是随着浅表资源的开采，可露采的资源越来越匮乏，因此深部矿体采用地下开采。由于露天采坑可采矿量不足，露采与地采衔接时间紧迫等现实难题，从矿山可持续性发展的角度出发，保证中央风井如期完工是矿山“露天转地下”的首要任务。

因此，中央风井作为“露天转地下”的关键性竖井工程，任务重，时间紧，无可避免的要在极寒時间段内完成竖井掘砌工程。为克服低温环境对施工的影响，从井架保暖、混凝土施工工艺等方面展开了研究和试验工作，总结摸索出一套低温条件下的竖井施工方案，保证寒冷条件下工程的连续正常施工。

1 工程概况

克兹尔-塔什特克铅锌多金属矿床属赋存于辉绿岩-钠长斑岩火山岩中的黄铁矿-多金属块状硫化物矿床，矿床上部为多金属型、铜锌型和黄铁矿型矿体，矿石为致密块状，与围岩界线清晰。矿体厚15～70 m，走向为北西向至近东西向，并向南部和西南部呈50°～60°倾斜，矿石坚硬、稳固性好。矿体上下盘围岩主要为弱矿化的蚀变次火山岩、凝灰岩等。

克兹尔-塔什特克铅锌多金属矿中央风井由俄罗斯乌拉尔设计公司设计，中央风井为地采专用进风竖井，兼作人员应急出口、消防水供应、井下排水使用。井筒净直径5.5 m，井口相对标高0 m，井底相对标高-404 m，井深404 m，在-100 m、-200 m、-300 m、-400 m中段各设置1个单向马头门，在-20.3 m、-87.6 m、-187.6 m、-281.6 m、-380.5 m各设有1个壁座，在-390 m设有管道井。

井筒内布置1根直径250 mm溜灰管、1根直径159 mm供水管、1根直径108 mm供压风管和1根直径108 mm排水管，并敷设电缆。

2 竖井施工方案及实施

2.1 保暖方案

为克服低温环境下对施工的影响，分别对井架、提升绞车房、稳车群等地表临时建筑采用水暖保温措施，采用封闭式搅拌棚储存混凝土施工原材料，利用必要的砂石料加热措施保证施工质量。

2.1.1 井架保暖

井颈段掘进在2018年7月完成，井筒基岩段掘进从9月开始，正值当地气温逐步下降时期，为应对长达7个月的寒冷天气，使用彩钢板及钢支架对除天轮梁位置之外的区域进行全封闭，井架内设置煤炉，保证井架内部的温度。井架保暖彩钢板支架布置见图1。

2.1.2 混凝土材料、输送、养护采暖保温

为保证浇筑质量，存放砂石料及水泥等材料要合理，同时妥善保证砂石料温度，确保入模温度在5 ℃以上，在井架旁搭建封闭式搅拌暖棚，暖棚内安装有水暖管道，使用矿山热水锅炉供热，棚内温度为3 ℃～5 ℃，满足材料使用要求。

2020年第10期/第41卷采矿工程采矿工程黄 金

在竖井井口旁设置有水箱，安装1台JS750型搅拌机[1]，砂石料放至在由钢板铺设的加热平台上，钢板下方通过燃煤燃烧加热，另外水箱内放置大功率加热棒以保证水温。下料时先加砂石，然后添加热水搅拌，再添加水泥，如此循环，以保证混凝土入模温度与强度。为确保混凝土养护温度，井口安装1台热风机与通风机相连，为井下工作面供应热风，风筒出口温度为8 ℃～10 ℃的恒温，减少外界气候对混凝土的影响。

2.2 凿井设备及井筒平面布置

中央风井施工采用Ⅳ型凿井钢井架，主提升机采用JK2.5×2.3型主提升机，3台双滚筒稳车，10台单滚筒稳车，1套单钩3 m3座钩式吊桶提升，双层吊盘，配1台HZ-6型中心回转式抓岩机，使用高3.85 m、直径5.5 m液压整体移动金属模板，配合人工YT-28型凿岩机凿岩。竖井井筒平面布置及主要设备配备和钢丝绳悬挂点见图2。井筒主要凿井设备见表1。

2.3 井筒及马头门掘砌施工

2.3.1 井 筒

1）爆破。井筒掘进采用YT-28型凿岩机，配长3.5 m、直径22 mm的六角钢钎杆。工作面采用不等深锅底形布置，楔形掏槽，共6圈炮孔。炮孔采用直径32 mm防水硝铵炸药，使用非电毫秒导爆管雷管起爆。施工时，根据现场围岩变化情况，随时调整爆破参数，以取得较好的爆破效果。炮孔布置见图3，爆破参数见表2，预期爆破效果见表3。

2）装岩及出渣。采用1台HZ-6型中心回转式抓岩机装岩，配合3 m3吊桶提升至地表后，经井架二层翻岩平台上的座钩式自动翻岩装置卸入溜槽，暂存在溜槽下方的存渣仓后，定期由铲车排至风井工业场地专用废石场。

3）支护。液压整体模板高度为3.85 m，掘砌单行作业“两排一支”，第二排炮留渣并找平，脱模下放至平整渣堆上，靠液压油缸外伸，模板撑到设计尺寸后，找平找正固定牢靠，然后进行混凝土浇筑。

搅拌暖棚内的搅拌机出口设计有溜槽，溜槽下方采用煤炉加热，减少混凝土运输过程中的热量流失。溜槽与溜灰管相接（可直接伸向底卸式吊桶上），溜灰管往井下延伸，管的另一端连接“漏斗型”活动套管，并由人工放至在滑模各浇筑口。

根据井筒结构、岩性的不同，采用不同的支护形式。井筒基岩段采用厚300 mm素混凝土支护，混凝土强度为C25;壁座段与马头门采用双层钢筋混凝土支护，混凝土强度为C35;对于井筒基岩较破碎地段，采用锚网临时支护后，再用素混凝土支护;对于壁座部分较破碎地段采用锚网支护后，再用双层钢筋混凝土支护。

2.3.2 马头门

井筒设计有4个单侧马头门，分别位于-100 m、-200 m、-300 m、-400 m中段。马头门内设计有卸压箱硐室、消防器材料库。

1）施工工艺。考虑到马头门规格较大及使用整体模板的情况，马头门施工与井筒分步施工，依次从下往上浇筑的方法。即将马头门分为2个分层，每个分层高度3.2 m，井筒掘进始终超前于马头门各分层，由上往下分层掘进到达马头门底板后，再由下往上进行马头门及井筒永久支护施工。

马头门的斜拱段最大设计高度为6.3 m。井筒掘进至马头门斜拱段上方1～2 m时，停止掘进，将上段井壁（含壁座）浇筑完成[2]。先下掘井筒至马头门第一分层底板标高，爆破后井筒暂停施工，排出部分渣石并预留第一分层掘进空间。井筒始终超前分层的高度，各分层掘进长度控制在3.5 m，待第二分层到位后，上下分层分2次爆破。先对下分层进行爆破，为上一分层创造爆破自由面，上一分层再压顶爆破，最后马頭门及井筒的部分留岩全部出完。

每个中段马头门段空顶高度不同，为6～8 m，采用锚网临时支护。待马头门全长掘进完成后，按设计绑扎完马头门及井筒的钢筋，将整体滑模下放至马头门底板，开始由下往上逐层整体浇筑马头门梁窝、墙、底板和井壁，直到浇筑至马头门拱顶，最后将整体滑模提升至上段井壁混凝土浇筑完成位置，完成剩余井壁浇筑。

2）爆破。马头门掘进采用YT-28型凿岩机配长3.5 m、直径22 mm、钻钎直径40 mm梅花型钻头钻孔。掘进采用压顶爆破的方法，各分层钻孔均在井筒留渣上完成。炮孔深度3.5 m，要求控制周边孔角度，防止超挖。炸药选用直径32 mm、长40 cm的俄罗斯专用乳化炸药，通过竖井放炮电缆在井口使用起爆器起爆。

3）装岩及出渣。分层掘进马头门斜拱段全高时，由于掘进长度小，采用人工将渣石耙至井筒位置，再由抓岩机通过3 m3吊桶提升至地表排出。马头门向前掘进后，为加快出渣速度，将耙岩机放至在马头门对面一侧井筒位置，用耙斗将马头门工作面内的渣石耙至井筒内，抓岩机将渣石装至吊桶，利用竖井排渣装置将其排出。

4）临时支护。在掘进马头门过程中，由于整体滑模在马头门全长掘进前无法下放，空顶暴露高度大，采用锚网临时支护。锚杆选用长1.8 m、内径32 mm管缝式锚杆，锚网采用直径6 mm钢筋网，网度100 mm×100 mm。

5）混凝土支护。马头门设计为C25钢筋混凝土支护，支护厚度300 mm，横向钢筋直径12 mm，间距250 mm，竖向钢筋直径16 mm，间距250 mm，拉筋直径8 mm，间距250 mm，钢筋内外保护层均为50 mm[3]。整体滑模下放至井筒与马头门同标高底板，与马头门斜拱直线段两侧模板对接固定后，井筒与马头门同时浇筑。

2.4 主要辅助系统

1）排水。采用多级接力排水方案。排水管为直径108 mm无缝钢管。每个马头门上方均设置一圈截水槽，在吊盘和-100 m、-200 m、-300 m中段上各设置1个9 m3水箱。

2）通风。采用压入式通风，风机功率2×30 kW，选用直径500 mm双耳式帆布风筒。

3）供电。10 kV双回路电源，引自井口工业场地变电站。通往井口分3条电路，分别供往主提升机房、1#与2#稳车群、井下。通向井下吊盘有1根50 mm2的动力电缆，通往-100 m、-200 m中段临时转水站各有2条动力电缆。

4）通讯、监控及信号。主提升机房与井口信号房使用36 V电压等级的信号装置2套，提升信号装置具有信号、通讯传输功能。在井筒内敷设1.5 mm27芯光缆，以满足提升机房及井口信号房提升信号的传输需求。视频信号为专用光缆，监控区域为主提升机房操作室、井口信号房操作室、井盖门、翻渣平台等。

2.5 劳动组织

井筒基岩段“两掘一支”，每循环进尺为2.2 m。金属滑模高度为3.85 m，每模成井3.85 m。采用“滚班制”作业方式，由于爆破作业为外包形式，竖井作业共分3个班组，即凿岩班、出渣班和支护班。出渣班第二排炮后需要完成2次出渣任务。

2.6 工程实践

竖井地处俄罗斯图瓦极寒地带，从2018年9月开工至2019年6月完工，总工期为9个月。井筒施工进度与基岩段岩性、井筒深度、马头门、气候变化有关。矿山对地表大型临时设施采用适宜的供暖措施，采取与井架结构、井筒工程相适应的井架封闭式保暖、燃煤供暖、砂石料保暖、混凝土输送方法，最大化减少寒冷气候对井筒安全、质量、进度的威胁，有效提高主提升绞车、稳车、天轮等重要设备设施完好率，解决作业环境温度低造成混凝土强度达不到设计要求的问题。同时，借助Ⅳ型凿井钢井架、单钩提升、中心回转式抓岩机、金属滑模等施工设施及装备，在人工掘进与机械化设备配合下，克服近7个月寒冷天气的不利施工条件影响，使提升机、稳车运行完好率在95 %以上，井筒混凝土强度达到设计的92 %，如期保质保量完成净直径为5.5 m，井深404 m的中央风井施工，正常月进尺55 m，每个中段单侧马头门掘砌为12 d/个，含与马头门连接平巷13 m，为矿山顺利完成“露天转地下”奠定了基础。

豎井井筒混凝土强度符合当地技术监督局检测要求，于2019年年底顺利完成二期井筒装备安装工程，含梯子间、供水、排水、动力、通讯、供电电缆及电梯安装工作，并正常投产使用。

3 结 语

中央风井作为矿山“露天转地下”的“咽喉”竖井工程，是整个矿井开拓工程的基石，在矿山生产中拥有特殊且重要的地位和作用。中央风井的完工，除积累了在寒冷天气下竖井施工的经验以外，对类似环境下的竖井施工具有较好的借鉴意义。

1）施工期短，积极抢占施工黄金期。中央风井从2018年9月22日开工，至2019年6月15日完成，实际工期为9个月。

2）针对矿区所处环境的气候特点，井架外采用保暖彩钢板防风防雪，井架内对水泥、水、砂石料分类加热、保暖，克服低温环境对施工质量的影响，保证工程连续正常施工，实现了在井架、混凝土原材料保暖，混凝土输送措施与质量保障方面的突破。

3）根据井筒不同地段、不同岩层状况，采用单、双层钢筋混凝土支护，在各中段马头门位置采用锚网辅助支护，确保了工程质量和施工安全。

[参 考 文 献]

[1] 黄东超.极寒环境下立井混凝土施工技术研究[J].能源技术与管理，2019，44（1）：160-162.

[2] 臧润成.竖井马头门掘进与支护工艺[J].现代矿业，2015（12）：152-153.

[3] 孙国飞，宋宏元.竖井井颈钢筋混凝土施工技术[J].黄金，2016，37（12）：44-47.

Vertical shaft construction technology in mines

in cold circumstances and its engineering practice

Liu Wenquan

（Heilongjiang Zijin Longxing Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：In order to overcome the effect of lowtemperature environment on vertical shaft construction，Kyzyl-Tash Turk Pb-Zn Polymetallic Mine carried out study and experiment on warmth keeping of headframe and the concrete construction.With the help of construction facilities and equipment such as Ⅳ drilling steel headframe，singlehook hoist，centre rotary mucker and metal slip form，and the cooperation of manual excavation and mechanized equipment，measures that go with headframe structure and shaft engineering such as closed warmth keeping，coal heat supply，warmthkeeping sand material and concrete convey minimize the threat of cold weathers to shaft security，quality and progress，effectively improve the intactness rate of important equipment and facilities like main hoisting winch，winch and hoisting sheave to over 95 %，and solve the problem that the concrete strength is lower than that required by design due to low temperature operation environment，making the concrete strength of the shaft reach 92 % of the design.The central air shaft with net diameter 5.5 m and 404 m depth is constructed conforming to the schedule and required quality，laying foundations for successful transition of open pit to underground.

Keywords：cold weather;open pit to underground;warmthkeeping measure;vertical shaft;digging and bricking;ingate