三山岛金矿深部复杂条件下盲竖井配套工程建设实践

李文光 邓尧增 李宇凯 王明斌 赵洪凯

摘要： 针对三山岛金矿盲竖井千米深中段开拓工程设计及其施工面临的高地温、岩爆、高压突水等问题，在工程实践中开展了综合研究。建立了多点布置盲竖井凿井设施的一种井筒掘砌施工方法，使新建工程与已有工程科学结合，减少了工程量;合理布局了通风系统与设施，加快了风流循环速度，降低了硐室内温度、湿度，提高了开拓作业工效;采用二层联合掘进施工方法、整体与局部泄压相结合和及时支护等措施，对岩爆和围岩失稳进行了有效控制;采用微震技术对富水裂隙带进行了预测，采取了针对性的上堵下疏工程和安全措施，有效规避了突水灾害。配套工程取得了较好的效果，确保了施工安全，为深部复杂条件下盲竖井的施工积累了经验，值得推广。

关键词： 深井开采;盲竖井;高温;岩爆;突水;配套工程                    

中图分类号：TD26 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）09-0057-06 doi：10.11792/hj20210910

   引 言

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“三山岛金矿”）是中国重要的黄金生产基地，井下采用无轨设备开采，其机械化开采程度较高。三山岛金矿下设三山岛、新立、仓上和曹家埠4个矿区。其中，三山岛矿区与新立矿区属于一个矿段。三山岛矿区矿体倾角缓，断裂构造发育，近矿围岩多不稳定，局部地段易发生工程地质问题，工程地质条件复杂。矿床地质环境质量类型为复杂，属于水文地质条件复杂的裂隙充水矿床。

三山岛矿区采用深部盲竖井+斜坡道联合开拓。盲竖井的井口标高为-600 m，井底标高为-1 240 m， 井深640 m，井筒净直径5.5 m。盲竖井主要作为三山岛金矿扩能扩界工程的进风井，同时兼作辅助提升井。盲竖井设计中将主水泵房设置在-1 140 m中段盲竖井附近，设计正常排水量为17 000 m3/d，最大涌水量为22 000 m3/d。排水系统采用接力倒段式排水，坑内涌水经各中段泄水井下放到-1 140 m中段沉淀池、水仓，由-1 140 m水泵房将坑内涌水经盲通风井、服务井内布置的排水管排到-435 m水泵房，再接力倒段排出地表。要形成以排水能力为主的深部盲竖井配套建设，面临着深部高地温、高地应力、高渗透水压的环境和狭窄空间作业难等问题，给深部工程建设带来了高温热害、岩爆、突水等严重威胁开拓工程建设的安全难题[1-4]。

工程实际建设中，在探明工程地质、水文地质等条件的基础上，建立了千米深度范围内的盲竖井配套工程提升、灾害、施工联合治理技术，保证了深部开拓工程的顺利建设，解决了工程施工临时提升问题，积累了针对深部地层高地温、岩爆、突水、施工工艺等工程难题的施工对策与工程经验。

1 多点布置盲竖井凿井设施

1.1 改变单水平布置凿井提升的思路

在现有技术的盲竖井工程施工中，盲竖井凿井设施一般采用单水平布置形式，其主要缺点是：①井下单水平布置凿井场地狭窄，安全隐患大;②井下单水平布置需要较多的临时凿井硐室，这对永久性系统工程的稳定性产生了比较严重的破坏性影响;③措施工程的掘进量大，施工周期长，增加了施工成本。

采用多点布置盲竖井凿井设施的施工方法，充分利用已有的措施工程及已施工的永久工程，减少了措施工程的掘进量，并提高了施工安全性（见图1）。

1.2 施工过程

1.2.1 施工方式

采用平行施工方式施工盲竖井井帽工程，作用一：为盲竖井井筒凿井设施的布置提供条件;作用二：在盲竖井井帽施工中，实现多水平平行、交叉作业的快速掘进。

1）在盲竖井-537 m、-555 m和-600 m处分别施工措施巷道至井筒的位置，然后在盲竖井-537 m 上方施工提升机硐室（长18.7 m，宽14.1 m，高15.65 m）， 并在-555 m施工措施工程巷道、攪拌站硐室、黄沙水泥硐室及石子硐室，并自-600 m开始分别施工-600 m至-575 m矿仓和-600 m至-555 m井筒的小断面（见图1、图2）。

2）在-600 m至-555 m段实施井筒扩刷，并在-575 m施工分配小车硐室。

3）封闭-555 m井口，并在-537 m至-555 m施工导轮硐室（长12 m，宽10.5 m，高9 m）。

1.2.2 凿井设施的布置及安装

1）在-537 m提升机硐室、回风巷道和导轮硐室分别进行凿井用的大型临时提升设施安装：在导轮硐室安装1套凿井井架，在提升机硐室安装9台稳车， 并另行开凿绞车硐室，在该绞车硐室内安装1台2.5 m 绞车。

2）在-575 m利用分配小车硐室，在井帽的井筒内加固-575 m翻矸平台及翻矸槽，使井筒、中段掘进的废石通过吊桶经翻矸平台直接进入-575 m矿仓内，然后转运至主井，提升至地表。

3）在-600 m安装井口信号系统和配电系统。人员、材料的下放均设在-600 m井口。原废弃硐室作为临时变电所与压风机房。

1.3 取得的效果

1）改变了以往凿井措施工程单水平布置的模式，达到了在垂直空间范围内多点布置盲竖井凿井设施的目的，同时达到了井筒吊盘、-600 m井口、-575 m翻矸平台、-555 m搅拌站和-537 m卷扬机运行设备信号一致同步进行的目的。

2）利用-575 m至-600 m的永久矿仓作为卸载矿仓，改变了原来直接用卡车运至地表的运输方式，卸载后通过运输大巷由电机车直接运至新立主井提升至地表，大大节约了运输成本。经核算，实际节约运输成本9.11元/t。

3）在-537 m提升机硐室和导轮硐室进行凿井、大型临时提升设施安装，在导向轮基础坑上加工安装1套凿井井架，充分利用了已施工工程，同时也避免了在-537 m开凿太多的硐室对整个提升机硐室稳固性的破坏。

4）在-600 m安装井口信号和配电系统，充分利用了原废弃硐室、已施工的井口马头门及罐笼组装硐室，解决了人员和设备的上、下及材料的堆放问题，为井筒安全、高效、快速掘进创造了条件。

2 深部地层高地温环境特征与降温技术

随着矿井向深部开采，许多矿山都遇到了不同程度的热害问题。矿井气温过高严重影响人体健康，引发各种疾病，造成事故率上升，生产效率下降[5-8]。

2.1 井下地温环境特征

1）地温的影响。根据三山岛金矿的地温资料分析，井下局部地温梯度达3 ℃/100 m，-1 140 m处的原岩温度可达38 ℃。地温是影响井下气温的主要因素。

2）热水的涌出。热水在流经巷道的过程中，对空气传热导致空气温度升高。根据实际调查，-1 140 m中段1385勘探线钻孔的出水温度为37 ℃。特别是面临开拓的-1 140 m中段F3断裂以南热水区局部温度大于50 ℃。

3）地面气温的影响。地面气温直接影响井下气温，一般夏季井下空气温度比冬季温度高3 ℃～6 ℃。

4）机电设备散热。机械化程度高，机电设备数量越来越多。机电设备运转后，其产生的热首先使设备本身升温，然后再向风流放热。

5）通风方式、入风质量的影响。三山岛金矿盲竖井井口标高为-600 m，经过斜坡道长距离输送，入风温度显著升高;再加上盲竖井开拓，独头掘进，掘进头温度高达39 ℃。

2.2 井下高温危害

1）生产效率降低。当等效温度由27 ℃增加至30 ℃时，生产效率显著下降;当等效温度为34 ℃时，生产效率降低为27 ℃时的25 %。

2）事故率增高。资料表明，气温在30 ℃以上的工作面事故率比30 ℃以下高出1.15～1.30倍，絕大部分的事故发生在28 ℃以上的工作面。

2.3 降温工程

盲竖井-1 140 m中段马头门的岩石温度达到38 ℃;新立—三山岛F1断裂是矿区控矿断裂，北西向断裂F3为成矿后断裂，规模较大，为区域性构造，F3断裂切割F1断裂含矿蚀变带矿体。-1 140 m中段深部F3断裂仍较发育，水热活动强烈，具有较高温度的地下水在矿区循环聚集形成地热异常。因此，造成的矿井热害热水分布在F3断裂南侧，面积不大，多为脉状或裂隙脉状热水。为了有效解决掘进的高温问题，建设过程中合理布局了通风系统与设施。

2.3.1 建立临时通风系统

1）首先盲竖井施工到底后， 集中在-1 140 m中段贯通，加快施工-780 m盲风井与盲竖井150 m贯通运输联络巷，形成矿井全负压临时通风系统（见图3）。

2）引入新立矿区的新鲜风流，入风温度为25 ℃， 从根本上解决了超千米深中段开拓入风质量问题。

3）盲竖井与风井贯通前，在-780 m马头门安装2×22 kW对旋式风机，最大进风量为525 m3/min， 通过800 mm风筒把风直接输送到-1 140 m中段，回风采用2×11 kW对旋式风机的压、抽混合式通风方式;盲竖井与风井贯通后，2×22 kW对旋式风机移至-1 140 m中段马头门，回风采用二级机站设置在-780 m水平的250 kW主扇，主扇回风量约为 110 m3/s，通过风门调整进行回风。

2.3.2 制冷系统掘进面降温

1 140 m中段F3断裂以南热水区局部温度约为53 ℃，水质为高含盐量卤水，氯离子质量浓度高达24 000 mg/L。为改善-1 140 m中段独头掘进作业环境，采用1台水冷制冷机组带3台空冷器同时对3个掘进作业面进行降温。结合井下生产条件，分析掘进工作面热源特点，计算需冷量（冷负荷），分析临时通风系统状况，尤其是制冷换热后热量排放方式、途径，井下水源、水质条件等。最终采用固定式水冷制冷机组+移动式空冷器相结合的长距离掘进制冷降温方案。

1）制冷机组的冷凝器中制冷剂与冷却水热交换，将冷凝热释放在冷却水中，冷却水采用井下临时沉淀池出水口水，水温为40 ℃～46 ℃，热交换后排至水仓，经排水系统排至地表（见图4）。

制冷系统主要设备包括井下制冷机组、井下水仓（天然冷却塔）、冷却水泵、排水泵、排水管、蒸发器、冷冻水泵、空冷器、轴流风机等。

2）制冷系统主要特点：

（1）末端配套空冷器，顺延冷冻水管，供冷方式灵活，适用于井下集中式制冷，供给多个工作面制冷降温。

（2）制冷机组“化整为四”。 制冷机组选用8台压缩机，每2台压缩机为1个单元组合，对应1台钛合金壳管式换热器、1台板式蒸发器，整个主机形成4个单元组合，可同时运行，也可单个运行。 在实际工作中根据需要可任意开启1个单元组合，压缩机工作模式为25 %、50 %、75 %及100 %，可大量节约运行费用。

（3）空冷器+轴流风机灵活组合。空冷器+轴流风机设计为3台，单台制冷量为150 kW，风机为2×11 kW，送风量为4 m3/s。3台空冷器+轴流风机可以任意组合布置，满足不同采掘作业面要求。

（4）冷冻水泵采用变频控制。根据作业实际情况调节水量，减少能耗。

2.4 井下降温效果

1）整体千米深中段临时通风系统效果。通风降温改造后，盲竖井井口温度下降了7 ℃，盲竖井井底温度下降2 ℃以上;解决了直属矿区盲竖井井底开拓作业面高温、缺氧、湿度大、风流循环速度慢等问题;提高了风流的有效利用率，降低了污风串联率。采用漏风系数低的软质风筒，有效提高了局部通风机运行效率;保证了井下作业人员的人身健康，有效预防和减少职业病及CO中毒事故的发生。

2）-1 140 m中段F3断裂以南热水区局部降温效果。采取制冷措施前，局扇进风侧温度为28 ℃，湿度95 %，风筒出风温度40.3 ℃，湿度98 %，作业面温度48.4 ℃;制冷机组投入后运行2台空冷器，冷冻水可降至5.6 ℃，风筒出风口温度14.2 ℃左右，北巷热水区工作面温度由47 ℃降至27.8 ℃。

3 高地应力条件下岩爆危害与治理

3.1 千米深中段开拓面临的地压问题

硐室附近地层内地压大，围岩移动量大，移动速度快。巷道围岩移近量、巷道顶底板移近率随采深增大而增大[9-11]。冲击地压发生频率高，冲击能量大，特别是在大型硐室开拓中尤其严重。失修和严重失修巷道比例增加，井深1 000 m时巷道失修率约是同条件下埋深500～600 m巷道失修率的3～15倍，部分矿井巷道失修率和严重失修率为20 %以上。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中最薄弱的环节。

-1 140 m中段水泵房宽6.1 m，高8.3 m。在水泵房的掘进中，岩爆问题显现，在顶板及两帮出现了岩爆现象，以层状、片状整体脱落。个别岩帮出现“叭叭”的响声，有小石块抛出1 m，或以片状大面积脱落。

3.2 巷道硐室围岩控制

为有效控制岩爆类岩体失稳问题，整个水泵房采用了二层联合掘进施工方法、整体与局部泄压相结合和及时支护等措施。

1）二层联合掘进施工方法。在垂高方向把整个硐室分为上、下2个部分施工;先施工底部，最后施工上部并支护。这样既减少了底部和上部控顶过高冒顶危险，同时下部又在上部支护层的保护下进行扩刷，大大提高掘进的安全系数。

2）整体与局部泄压相结合。施工钻孔进行泄压。在1420勘探线施工泄水钻孔，对整个-780～-1 140 m未扰动区域实现整体泄压;对于水泵房大硐室开凿的岩爆问题，在顶板、两帮每隔50 cm施工1个深4 m的泄压孔，进行局部泄压。

3）及时支护。遇到岩石稳固性稍差时，需要进行支护處理，水泵房硐室揭露泄压后，顶板支护形式调整为先喷射50 mm混凝土， 确保作业人员安全的前提下，再进行挂锚网作业，钢筋网规格2.0 m ×1.0 m，然后再进行喷射混凝土支护，支护厚度100 mm。 两帮支护形式调整为锚杆+喷射混凝土支护，锚杆间距1.2 m×1.2 m，支护厚度100 mm，有效保证了施工过程中的围岩稳定（见图5）。

4 高渗透压力条件下突水应对措施

4.1 深部突水危害治理

三山岛金矿床属水文地质条件复杂的裂隙充水矿床，在巷道距离-1 140 m中段北巷F3断裂破裂区300 m布置3组检波器并实时收集微震数据，借助数据处理软件，实现了-1 140 m中段微震监测结果的可视化。分析监测结果可以发现，爆破生产扰动较小，断裂带的导水裂隙带还未形成。结合以往治水经验，在-1 140 m上部的开拓中段采取超前中深孔探水注浆，并实施浅孔探水、管棚式超前支护、U型钢及混凝土联合支护、注浆堵水等治理措施。顺利通过F3断裂后，巷道段进行钢筋混凝土永久支护。对下部-1 140 m 开拓中段穿越F3断裂之前采取疏放水措施，引导地下水进入排水系统，为上部中段的注浆创造良好条件[9-11]。

1） 下中段的微震预警、疏放水措施。针对3 MPa 高压突水，并结合3组检波器微震数据，对整个-780～ -1 140 m 1500勘探线南西未扰动区域的高压裂隙水进行放水，通过1个月的放水，压力减少为0.15 MPa，确保了水泵房工程顺利实施。

2）上中段探水注浆与支护措施。上中段穿越F3断裂时，在长探情况下，每60 m作为一次探水（注浆）轮回，设计探水孔不少于3个，每个孔深60 m，分别位于两帮腰线位置和掌子面中间位置。2次探水间要预留6 m的止水岩帽，以确保探水安全。共设计15个注浆孔，其中顶板7个，底板及两帮8个（见图6）。另设计1～3个检查补强孔。顶板各孔及顶角孔施工完毕后，埋入钢管或粗钢筋作管棚用。

3）通过上堵下疏方式，实现了上中段穿越F3断裂突水基本疏干，保证了-915 m以上矿体附近地下水位有效地降低到开采标高以下，形成稳定的降落漏斗，确保采矿作业在无水头的安全环境下进行，保持了地下水位的稳定，防止突水事故发生。

4.2 井下突水安全防范

1）在治理突水问题的同时，施工过程中还需采取足够的措施防范突水。首先，增加排水设施，安装1台MD85-67（P）-9卧泵，2台MD46-50-8卧泵，总排水量在120 m3/h以上，满足排水要求。其次，工人实施正确的操作与防范措施，人员站在钻机的一侧进行操作，以防止钻机被高压突水（见图7）压出，机械伤人。

2） 放水前准备好孔口管、闸阀。根据排水能力，全力放水，降低水头。在泄水井联络巷施工2个360 m、 460 m钻孔进行放水。

5 结 论

1）为科学地加快三山岛金矿盲竖井配套工程建设，建立了一种多点布置盲竖井凿井设施的井筒期中段开拓的施工方法，充分利用已有的措施工程及已施工的永久工程，减少了工程掘进量，提高了施工安全性。

2）针对三山岛金矿盲竖井配套工程建设面临的高地温环境，建设过程中合理布局了通风系统与设施，使开拓作业面新鲜风风量大大提高，风流循环速度加快，温度、湿度降低，提高了作业人员的积极性，提高了盲竖井开拓作业工效。

3）配套工程硐室围岩中地层压力大、局部岩体稳定性差，施工过程中采用了二层联合掘进施工方法、整体与局部泄压相结合和及时支护等措施，对地层压力进行了有效控制，保证了围岩的稳定性。

4）为防范突水灾害的发生，利用微震技术结合构造地质特征对富水地层进行了预警分析，制定了针对性强的上堵下疏治水措施，有效降低了水害的发生，保证了施工的顺利进行。

5）在三山島金矿复杂条件下盲竖井配套工程建设实践中，建立了临时提升、灾害、施工联合治理技术，为千米深度范围的金属矿深部复杂条件下盲竖井配套工程建设积累了丰富的工程经验。

[参 考 文 献]

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Practice of blind shaft supporting project construction

under complex conditions deep in Sanshandao Gold Mine

Li Wenguang1，Deng Yaozeng1，Li Yukai2，Wang Mingbin1，Zhao Hongkai1

（ 1.Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining （ Laizhou ） Co. ，Ltd.  ;

2.School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology ）

Abstract： In this paper，a comprehensive study is carried out in engineering practice to solve the problems of high temperature，rock burst and high pressure water bursting in the design and construction of the development project of blind shaft in Sanshandao Gold Mine at thousand meters deep.A shaft excavation and masonry construction method with multi-point layout of blind shaft sinking facilities is established，which makes the new project scientifically combined with the existing project and reduces the engineering quantity.The ventilation system and facilities are reasonably arranged，which accelerates the circulation speed of airflow，reduces the temperature and humidity in the chamber，and improves the working efficiency.The rock burst and surrounding rock instability were effectively controlled with the two-layer combined tunneling construction method，the overall and local pressure relief combination and measures  such as timely support.Microseismic technology is used to predict the water-rich fracture zone，and targeted engineering and safety measures are adopted to stop the flow from the upstream and dredge the channel to the downstream，which effectively  avoids the water bursting disaster.The supporting projects have achieved good outcome，which ensures the construction safety，accumulates experience for the construction of blind shafts under complex conditions in the deep part，and is worth promoting.

Keywords： deep mining;blind shaft;high temperature;rock burst;water bursting;supporting project