某铁矿大直径深竖井施工工艺优化研究

邸翔宇(鞍山五矿陈台沟矿业有限公司,辽宁 鞍山114000)

1 前言

近些年,伴随我国经济的飞速发展,钢铁资源的需求逐渐增加,进口铁矿石供给和价格受全球整体因素影响,制约着我国经济的持续增长,国内地表浅层赋存铁矿石优质资源逐渐减少,深部铁矿石资源开发仍在摸索过程中,深部矿产资源的地质勘查工作变得非常重要。某铁矿探矿井的实施,以摸清深部铁矿石资源为宗旨,以后续国有资源的正常开发和利用为目的,确保国有企业可持续健康发展。但此次施工的探矿井东侧为省级公路和露天采坑,北侧为某大型铁矿,西北侧紧邻某大型铁矿选矿厂,西侧紧邻某地级市区边缘。施工地点受周边地势和村落影响,西南侧有油库、农场和物流基地,周边地貌限制因素多,可用于布置地表设施的场地极其有限。该探矿井属于大直径超深千米井,为了加快施工速度,配备了超深井机械化施工设备,根据施工单位的施工组织设计,在不受外部因素影响条件下,24 h 之内正常工序循环作业效率较高,但此次施工探矿井受地理位置约束,为严格按照国家环保要求开展施工,对施工流程进行科学调整,合理优化,确保工序衔接,达到提高施工效率的目的。

2 地质概况

2.1 工程地质

为科学合理调整工艺,有效提高工作效率和质量,根据区域地质资料以及地表钻岩芯取样情况,通过调研、分析,此次施工范围内的基岩为太古代花岗岩,辽河群浪子山组千枚岩、石英岩,鞍山群樱桃园岩组绿泥绢云千枚岩、石英片岩、磁铁石英岩等。绿泥石英岩与绿泥石片岩构成矿体的直接顶、底板。各类岩石软硬程度不一,岩石硬度系数为6～12。基岩之上大部分覆盖有第四系砂砾卵石或残坡积物。基岩均属于坚硬的块状或厚层状工程地质岩组,浅部岩石质量为极劣到劣,岩体完整性为破碎到差;深部岩石质量为中等到极好,岩体完整性为中等完整到完整,但岩组结构较复杂,各类结构面较发育,使深部相对完整的岩体中存在局部破碎,岩石质量劣的现象。

2.2 水文地质

为研究施工过程中的井壁涌水情况,确保本次工序优化安全有序开展,查阅了该区域内的水文地质资料,对周边部分地下矿山进行了走访、调研,掌握了该区域内水文地质基本情况,考虑矿床所处位置和地层、岩性分布情况及赋水特征,从实际应用出发,划分为以下几个含水岩组。

1)全新统冲洪积孔隙含水岩组

分布于矿床东北部小河两岸地带。主要由碎石及砂砾卵石构成,夹有不含水的黏土、砂质黏土及弱含水的黏质砂土,后者呈薄层与透镜体存在。厚度变化范围为10.80～43.48m。水化学类型多为硫酸重碳酸钙镁型,平均矿化度462.56mg/L,pH 值为6.37～7.46。地下水补给主要为大气降水下渗补给与河流补给,垂向上对下部基岩风化裂隙水存在互补关系,径流条件一般或较好,以人工开采和地下径流形式排泄。

2)上更新统残坡积孔隙含水岩组

分布于矿床西部山麓、微丘陵地带,岩性为砂质黏土及少量砂砾、碎石透镜体,其分布形态和埋藏深度条件都极其复杂,厚度变化范围为1.0～10.8m,富水性弱。水化学类型多为硫酸重碳酸钙镁型,平均矿化度305.31mg/L,pH 值为6.40。地下水补给主要为大气降水下渗补给,垂向上对下部基岩风化裂隙水存在互补关系,该类含水岩组与深部基岩裂隙含水岩组之间联系微弱。径流条件一般,以人工开采或地下径流形式排泄。

3)隔水岩组

地下水动态规律与区域上一致,即第四系地下水水位波动幅度较大,约1～4m,枯丰滞后期1～2月;基岩地下水水位波幅一般小于1m,滞后期为2～3月。二者在水质上变化不大。依矿区水文地质条件,综合地形地貌、地表水体发育程度和各含水岩组富水性以及地下水补径排,考虑矿床上部虽然有小河经过,但其下部存在厚度约860m 的辽河群千枚岩相对隔水层使其对矿体的影响较小,认为矿床水文地质条件属简单类型。

2.3 环境地质条件

矿区地貌属丘陵山地地形,区内地表水体较发育,主要为位于矿区西部及中部沙河上游的两条支流,流向均由南向北,在周边某村落北侧汇合,常年流水,均呈现季节性变化。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015),该区地震烈度为7 度,峰值加速度为0.1g,反应谱特征周期为0.35s,是地震活动较高地区。探矿区域内环境地质条件属中等类型。

3 施工工艺

该探矿井属大直径深竖井施工,净直径8m,深1 000 余m,结合上述前期地表探矿钻孔掌握的工程地质情况,经科学谋划,施工方案比较,采用的是短段掘砌混合作业方式。

掘进设备采用YSJZ4.8 型液压伞钻,同时配置四台HYD200 液压凿岩机钻眼,液压凿岩机配LG32mm 中空六角长5 525mm 成品钎杆和ZQ45-R32 柱齿合金钻头,结合以往施工经验,每炮掘进进尺4.5m 左右[1]。出渣过程,采用中心回转HZ-6抓岩机抓岩,座钩式自动翻矸,地表由20t 自卸汽车排矸至指定地点。支护采用商品砼,根据设计,部分配置钢筋,提升采用主、副两套系统,提升3m3底卸式吊桶同时下放混凝土到吊盘上,经受料漏斗和浇筑胶管溜入φ8.0m、段高4.5m 的整体移动金属模板,机械化振捣,“一掘一支”支护方式,一次成井4.5m。

4 原施工方案

由于受地理位置约束,距离周边村落较近,依据相关部门要求,为减少施工引起的噪声对周边村民的影响,确保社会稳定和施工的安全有序开展,保障工作效率,满足《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB 12348—2008)及国家相关法规,合法合规开展施工作业。

前期,从工艺工序入手,根据施工组织设计,分别对打眼、平底、支模浇筑、出渣各工序进行现场监督,加大紧凑工序衔接的研究、分析,通过对各工序时间的跟踪、核定,掌握了各工序运行的基本状态,通过内部开展技术讨论和沟通。在实际施工中,一次掘支成井高度4.5m 已不能达到施工正常有序开展的目标。一方面,井筒掘支时间平均为38h,为避开夜间作业施工引起噪声,存在夜间施工出渣、爆破噪音污染的问题;另一方面,长时间夜间工序调整,等待累计较长,成本较高,施工效率较低,工期较设计有所滞后[2]。优化前工序见表1。

表1 优化前工序基本运行统计表

表1为施工工艺优化前某时间段统计表格,由该表格可以看出,严格按照施工组织设计开展施工工作,以整体模板4.5m 为爆破掘进进尺参数标准,完成8 次整体模板成井工序循环时间为323h,其中调整时间约为21h,调整时间占工序循环时间6.50%,结合施工开展情况,综合考虑设备检修、维护,按照月平均25日进行计算,不考虑客观因素影响,月进度进尺预计约为66m,循环时间受调整工序时间因素制约,严重影响了整体施工的有序开展,导致施工效率降低,生产成本得不到有效控制。

5 优化施工方案

经过长达半个月的探索和尝试,在保证安全、质量的情况下,结合作业施工内容,合理安排掘支工序,通过调整一次成井段高,掘进放炮不高于4.5m,掌握工序推进时间,根据岩性的变化情况和水文变化情况,科学调整炸药使用量,降低施工工序循环时间,将每炮掘进控制在3.5～4.5m。同时,优化实施过程中,一方面,积极做好井筒内施工通风、降尘等基础安全防范措施;另一方面,根据竖井施工中揭露的围岩状况,做好设备正常检修、井筒内冒顶片帮防范、超前探水等工作,积极开展“短掘短支”工作,确保作业场所的安全,通过工艺工序的优化研究,认真分析施工组织设计,综合考虑工期、安全、经济和现场施工等诸多因素,科学谋划,合理调整工序作业时间,工序调整后效果显著,具体数据见表2。

表2 竖井施工掘支工序统计表

从表2可以看出,合理调整爆跟踪放炮进尺数据,及时调整爆破参数,效果显著,完成6 次整体模板成井工序循环时间为196h,第7 次掘进可增加一次4.5m 成井,按照平均月份25日进行计算,不考虑客观因素影响,月进度进尺预计约为76.5m,综合分析,虽然施工过程中火工品单耗有所上升,但从施工组织整体角度,施工成本总体降低,施工进尺也得到了有效的提高,保障了作业效率。

6 结论

受工程项目客观因素影响,为满足生产安全稳步运行,必要时需对施工组织进行优化,使施工技术方案进行有效地谋划和比选,从而保证工程质量、工期要求以及建设方使用要求前提下,增加企业收益,降低成本。由此看出,作为施工组织的核心内容工序优化显得尤为重要。