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超深竖井建设基础理论与发展趋势
2018-05-02
简述深井开采定义及其需要考虑的因素,借以区分“深井开采”与“深竖井”定义,包括不同国家对超深井开采界定深度,提出深井开采应注意的关键问题:采动地压与调控、降温技术;总结国外不同国家深井开采生产基本情况与深竖井建设情况,分析不同国家深井开采存在的区别;对当前我国在(拟)建深井矿山进行统计、总结,当前我国超深竖井建设主要在黄金、有色与铁矿行业,建设深度主要集中在1 500 m;与国外相比,我国深井开采矿山矿石种类单一、矿石品位较低。在超深竖井理论分析方面,分别从超深竖井井筒围岩应力解析、井筒断面结构设计、井壁支护结构等方面,详细介绍当前理论与设计存在的问题,提出目前我国超深竖井建设需要解决的核心理...
Series No. 502ꢀ Aprilꢀ 2018 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 502期 METAL MINE 2018 年第 4 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ · 专题综述· 超深竖井建设基础理论与发展趋势 赵兴东 东北大学采矿地压与控制研究中心,辽宁 沈阳 110819) ( 摘ꢀ 要ꢀ 简述深井开采定义及其需要考虑的因素,借以区分“深井开采”与“深竖井”定义,包括不同国家对超深 井开采界定深度,提出深井开采应注意的关键问题:采动地压与调控、降温技术;总结国外不同国家深井开采生产基 本情况与深竖井建设情况,分析不同国家深井开采存在的区别;对当前我国在(拟)建深井矿山进行统计、总结,当前 我国超深竖井建设主要在黄金、有色与铁矿行业,建设深度主要集中在 1 500 m;与国外相比,我国深井开采矿山矿石 种类单一、矿石品位较低。 在超深竖井理论分析方面,分别从超深竖井井筒围岩应力解析、井筒断面结构设计、井壁支 护结构等方面,详细介绍当前理论与设计存在的问题,提出目前我国超深竖井建设需要解决的核心理论与关键技术。 在超深竖井建设技术方面,分别从凿岩爆破、综合化机械施工、吊盘以及钢丝绳提升等方面,详细叙述我国超深竖井 建设存在的问题。 针对复杂应力环境下超深竖井井筒围岩稳定性控制,提出(类)椭圆形井筒结构及释能井壁支护形 式;系统介绍了凿井设备、吊盘以及钢丝绳等研究进展,为我国超深竖井建设提供借鉴。 关键词ꢀ 超深竖井ꢀ 井筒断面ꢀ 井壁结构ꢀ 应力解析ꢀ 释能井壁支护 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD262ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2018)-04-001-10 ꢀ DOIꢀ 10. 19614 / j. cnki. jsks. 201804001 ꢀ Basic Theory and Development Trends of Ultra-deep Shaft Construction Zhao Xingdong ( Geomechanics Research Center,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ The definition of deep mining and its considering influence factors are introduced,which can be helpful to dif- ferentitate “deep mining” and “deep shaft”. Meanwhile,the critical depth of ultra-deep shaft also is given according to the re- quirement of different countries. The key problems of deep mining are high stress induced by deep mining,dynamic controlling and cooling technique. This issue summarizes the basic conditions of deep mining,the development of deep shaft construction, and analyzes also the distinction of deep mining in different countries in the world. The under (proposed) constructions of ul- tra-deep shaft in China have been statistics and summary. The constructions of deep shaft mainly distribute in the Gold,Non- ferrous and Iron industry,and the depth of shaft construction is about 1 500 m. In contrast to other countries,the deep mines have single kind ore and low grade in China. For theoretical analysis of ultra-deep shaft,the stress analysis of surrounding rock- mass,design of cross-section shape and shaft lining respectively have been analyzed,and the key problem of theory and tech- nique have been presented in deep shaft construction in China. For the sinking technique,the problems of drilling and blasting, systematic mechanized construction,platform and steel ropes respectively have been introduced in detail in China. On account of the stability of ultra-deep shaft under the complex stress circumstances,the elliptic structure and energy absorbing lining of shaft has been provided. The research progress of sinking equipment,platform and steel rope was also introduced,which can provide reference for the construction of ultra-deep shaft in China. Keywordsꢀ Ultra-deep shaft,Cross section of shaft,Lining structure,Stress analysis,Energy absorbing lining support ꢀ ꢀ 随着地下金属矿床开采深度的逐渐增加,“深井 部)开采” 和“深竖井” 两个词应用的越来越广泛。 深井开采主要与岩石类型、应力和初始岩温等条件直 接相关,判断是否进入深井开采,通常考虑勘探、采 ( 收稿日期ꢀ 2017-09-22 基金项目ꢀ 国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0600803),国家自然科学基金项目(编号:51474052),中央高校基本科研业务费专项资金项目 编号:N150102001)。 作者简介ꢀ 赵兴东(1975—),男,教授,博士研究生导师。 ( · 1· 总第 502 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 矿、支护以及监测的岩体力学参数、环境条件、开采和 破岩以及人员、材料和岩石的转运等因素的特殊性, 尤其是工程地质条件、采掘技术、地压控制和矿井通 Skalistaja(BC10)矿,其竖井提升深度为 2 100 m;俄 罗斯乌拉尔铜矿开凿竖井深度为 1 720 m,采用 8 绳 落地摩擦式提升系统。 在亚洲,印度的 Kolar 金矿区 有 3 座金矿井采深超过 2 400 m,其中 Champion Reef 金矿开拓 112 个中段,开采深度达到 3 260 m,开采诱 [ 1] 风等差异性变化 。 在南非,深井开采指矿山开采 [ 2] 深度超过 2 300 m,原岩温度超过 38 ℃ 的矿山 ,超 深井开采指其开采深度超过 3 500 m 的矿山。 加拿 大定义超深井开采矿山指在 2 500 m 以下既能保证 [ 6] 发产生严重岩爆灾害,致使该矿已停产关闭 。 在 澳大利亚,开采最深的矿山为昆士兰的 Mount Isa 矿, 开采深度为 1 800 m。 [ 3] 人的安全,同时矿业公司能获得经济效益的矿山 ; 近年来,作者通过对南非和加拿大等多个国家深井开 采矿山进行现场考察发现,岩爆等动力灾害、井下高 温以及采动地压是深井开采矿山面临核心难题,因此 对于在深井开采矿山,应系统研究采动应力、回采顺 序,动态调控地压、释能支护、通风制冷等关键理论与 技术,同时还要考虑运输要求与矿山开采经济效益。 为有效开采深部矿体,通常需要开凿( 超) 深竖井。 在我国,深竖井指矿井建设竖井深度在 800 ~ 1 200 m,超深井是指矿井建设深度超过 1 200 m 深的竖井。 从上述统计可 以 看 出, 世 界 上 开 采 深 度 超 过 2 000 m 的矿山主要集中在南非和加拿大,在南非主 要采用竖井和平巷开拓,采用充填法开采,在加拿大 主要采用竖井和斜坡道联合开拓,机械化程度高,主 要采用空场嗣后充填采矿方法及下向充填采矿方法。 南非主要开采黄金、钻石和铀矿,在加拿大主要开采 镍、铜、金等贵重金属,且其矿山品位都比较高,开采 的矿石量不多,但其开采金属量多,吨位矿石开采价 值高,吨矿成本低。 1 ꢀ 国外超深竖井建设现状 2ꢀ 国内超深竖井建设现状 目前,世界上开采深度超过 2 000 m 的矿山主要 在国内,目前煤炭行业超过千米竖井达到 55 条 井,金属非金属矿山在建和拟建井深超过 1 000 m 达 到 45 条,在建或拟建开采深度超过 1500 m 的矿山主 要有抚顺红透山铜矿、本溪思山岭铁矿、本溪大台沟 铁矿、鞍山陈台沟铁矿、山东济宁铁矿、云南会泽铅锌 矿、山东三山岛金矿西岭矿区、云南大红山铁矿、招金 瑞海矿业、中金山东沙岭金矿等。 本溪思山岭铁矿矿 体埋深达到 2 000 m 以上,为有效开采深部矿体,其 共设计 7 条竖井进行开拓,包含 2 条主井(1 505 m)、 1 条副井(1 503 m)、1 条进风井(1 150 m)、1 条措施 井(1 320 m)、2 条回风井(1 条 1 400 m、1 条 1 120 集中在南非、加拿大、俄罗斯等国家,其中南非有 14 个矿区开采深度超过 2 000 m,部分矿山开采深度超 [ 3] 过 3 000 m ,在 2015 年,大约 40% 的金矿开采在 000 m 以下。 其中开采最深的矿山是位于南非金 3 山盆地西部金矿田的 Tau Tona 金矿(采深 3 900 m)、 Savuka 金矿(采深 3 900 m) 和 Mponeng 金矿( 采深 4 500 m)3 座姊妹矿,其中 Tau Tona 金矿在 1957 年 开凿 2 000 m 深竖井,于 1962 年投产,其井下原岩温 度达到 60 ℃。 开采深度超过 3 500 m 的矿山,主要 有 Kloof 金矿、Western Deep Levels 金矿、East Rand Proprietary 金矿( 采深 3 585 m) 和 Driefontein 金矿 [ 7] m) 。 辽宁大台沟铁矿在 1 号坑建 1 250 m 深探矿 [ 4] [8] # ;云南会泽铅锌矿探矿 3 明竖井,井口地平地表 等 。 2012 年,在南非豪登省的 South Deep 金矿花 井 费 7 a 时间,投资 50 亿美元,开凿了世界上最深的竖 井(井深 2991. 45 m),将开采大约 4. 5 亿 t 金矿石。 在北美,加拿大 Falconbridge 公司的 Kidd Creek 铜金 矿开采深度 3 120 m,采用下向深孔和上向水平充填 采矿法,日矿石产量约 7 000 t;加拿大 Goldcorp 的 Red Lake 开凿 2 195 m 深竖井;加拿大 Creighton 矿开 拓深度达 2 550 m,采用下向深孔和上向水平充填采 标高+2 380 m,井底标高+854 m,井深 1 526 m,井筒 断面直径为 6. 5 m,井下设 4 个马头门,井口段采用 钢筋混凝土支护,厚度 1 000 mm,井筒段采用混凝土 支护,支护厚度 400 mm,在竖井开凿至 1 400 余 m 时,井壁产生岩爆现象,并出现大量涌水,严重影响井 [ 9] 筒施工 。 抚顺红透山铜矿七系统 探 矿 工 程, 由 ꢁ827 m 中段以下新开拓至ꢁ1 253 m 中段,盲竖井井 底深度已达 1 600 m,在该盲竖井施工至 1 400 余 m (ꢁ1 137 m)深时,井筒围岩产生岩爆现象。 三山岛 金矿西岭矿区勘探出矿体多赋存于ꢁ700 m 以下,在 ꢁ1 800 m 深 时 矿 体 仍 未 封 闭, 其 赋 存 深 度 达 到 2 060. 5 m,拟建 2 005 m 深竖井。 中金集团沙岭金矿 主井设计深度 1 598. 5 m,副井设计深度 1 633. 5 m。 我国磁西、万东和史村煤矿煤层埋深 900 ~ 1 800 m, [ 5] 矿法,日产矿石量 3 000 ~ 3 500 t ;加拿大 Agnicoꢁ # Eagle s 公司的金矿开采深度 3 048 m,其新 4 竖井井 底深度超过 3 000 m,是世界上采用下向深孔空场嗣 后充填法开采最深的矿山。 美国北爱达荷的 Hecla Lucky Friday 铅锌矿,开凿直径 5. 5 m、深达 2 900 m 的竖井。 在北欧开采最深的矿为芬兰的 Pyhäsalmi 矿,其开采深度为 1 444 m;俄罗斯开采最深的矿山为 · 2· ꢀ ꢀ ꢀ 赵兴东:超深竖井建设基础理论与发展趋势ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 # [10] 。 在磁西 1 井建成 1 320 m 深竖井 空间轴对称极限平衡方程求解得出井壁压力。 别林 赞茨叶夫认为井筒地压大小并非沿着深度的增加而 无限量增长,到一定深度后地压最终趋于稳定值。 依 据土力学中关于两平行刚性墙间散体压力的原理推 导出夹心墙土压力公式,适用于不含水或弱含水的表 综上分析可以看出,南非在 1952 年开始建设 000 m 深竖井,国外目前在建的竖井深度主要集中 2 在 2 500 ~ 3 000 m,而当前我国已经完成施工的千米 以上竖井深度基本在 1 200 m 左右,随着未来勘探技 术水平的提高,深部矿体逐步被发现,在未来 15 ~ 20 年,我国超深竖井建设深度主要集中在 1 500 ~ 2 000 m;由此可以看出,在超深竖井建设方面,我国还处于 初步发展阶段,与国外相比具有一定的差距。 国外深 井采矿主要集中开采黄金、钻石、铀矿、镍、铜等贵重、 有色金属,且其矿石品位高,尽管其开采规模都在 [ 14-15] 土层 。 别林赞茨叶夫方法面向的是较深的地 层,认为地压并非是随井深增大而无限增大的,只能 增加到某一数值。 但这些井筒压力理论没有认识到 井筒围岩塌落并不是形成围岩压力的唯一来源,围岩 压力并不是松散压力而是形变压力,不能科学地分析 井筒围岩破坏范围及其形成过程。 8 000 t/ d 左右,但其矿山利润高;而我国深井开采主 由于井筒围岩的复杂性和散体理论分析不够科 学,必然导致基于工程类比的经验法广泛应用。 20 世纪 70 年代后,工程岩体分级由定性向半定量、由单 要开采铁矿石、铜矿和黄金等,并且相比国外矿石品 位低,需要大功率提升机与大断面井筒、规模化开采 来保证矿山企业经济效益。 [ 16] 因素向多因素综合评价方向发展 ,具有代表性的 主要有 RQD、Q、RMR、GSI 岩体稳定性分级,这些经 验公式涉及的指标较多,且这些指标的选取存在很大 的主观性。 1962 年,Kastner 认识到井筒围岩压力主 要是围岩和岩体结构之间的形变压力。 许多工程实 践表明,井筒围岩进入塑性,直至破坏状态,必须考虑 塑性问题和破坏问题来研究井筒围岩的稳定性。 关 于井筒围岩应力分布计算的模型很多,有的假设地层 各项同性、均质,基于线弹性理论推导井筒应力分析 模型;有的是基于井筒围岩节理、裂隙发育等弱面结 构,分析井筒围岩应力分布特征。 著名的芬纳(Fen- 3 ꢀ 超深井筒围岩应力解析研究现状 在高应力、高承水压力、高岩温及非线性动荷载 作用下,其深部岩体破坏与浅部岩体破坏有着本质区 别。 由于超深竖井井筒围岩地质环境进一步劣化,发 生强烈非弹性破坏,致使井筒围岩地压显现更加剧 烈,出现诸如脆ꢁ延性转化大变形、高应力强流变、高 岩爆风险等破坏形式,动力扰动作用更加明显。 井筒围岩压力是在竖井开挖过程,诱发井筒围岩 体和井壁支护结构产生变形、破坏的基本作用力。 对 于井筒围岩应力分析的发展,大致经历了古典压力理 论阶段、 散体压力理论和弹塑性压力理论 3 个阶 ner)公式和卡柯(Caquat) 公式均是应用弹塑性理论 [ 11] [17-19] 段 。 20 世纪 50 年代以来,我国计算竖井井筒压力 和 MohrꢁCoulomb 屈服准则 对圆形井筒进行了 主要应用海姆公式(Heim A)、郎金(Rankine W J M) 和金尼克理论对岩体内的垂向自重应力进行估算,此 分析。 但芬纳公式未考虑塑性区内围岩所受的垂直 重力的影响,由此估算的塑性区半径偏大。 塑性岩体 计算方法以及芬纳公式和卡柯公式均考虑了井筒围 岩的弹塑性变形,应用弹塑性理论分析较多,对深部 硬岩和软岩中井壁压力不再适用。 3 种理论对水平地应力计算都由垂向地应力乘以侧 压力系数得到,垂向地应力为上覆岩层容重(γ)与深 度(h)的乘积,不同的是侧压系数的改进和岩层厚度 的取值范围。 由于当时井筒埋深不大,曾一度认为这 些理论是正确的。 在实际工程中,根据现场实测结果发现井壁所受 的压力无论轴向和径向都是极不均匀的。 压力不均 匀使得井筒内产生弯矩,进而井壁内产生拉应力,使 井壁产生裂纹最终破坏,造成不均匀压力的原因是多 种多样的,例如地层构造、岩石性质不同、井筒壁后注 随着井筒开挖深度的增加,逐渐发现古典压力理 论不符合实际情况,出现了许多新的井筒压力计算理 [ 12] 认为井 论。 前苏联 M. M. Ⅱротодьяконов(普氏) [ 20] 壁压力就是岩体极限平衡状态的侧压力,适用于井筒 浅部 表 土 层 中 的 压 力 计 算。 前 苏 联 Ⅱ. M. 浆等因素 。 侴万禧在分析受不均匀荷载作用下竖 井井壁应力和位移的基础上,采用反分析方法对竖井 [ 13] [21-22] Цимбаревич(秦氏)理论 观点与普氏相类似,只是 不用加权平均的坚固系数,而是分层计算,在计算中 将滑动体看作棱柱体,而实际是圆锥体或圆柱体,进 而导致其计算结果偏大。 前苏联 В. Г. Береэанцев 的 松散体极限平衡理论,将竖井井壁看作圆柱面,表土 层开挖后,表土层内的土体或破碎岩体向内滑移,按 井壁的外载进行了相关研究 ,文献[22]认为,立 井井壁外表面非均布应力呈椭圆形分布。 王渭明 [ 23-24] 等 分别在孙村煤矿千米进风井和石集煤矿立井 进行全深度的地压监测,得到井壁压力沿井壁环向很 不均匀,发现岩层倾角越大井筒横截面上的地压分布 越不均匀,对竖井地压分布影响显著。 在水平应力为 · 3· 总第 502 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 主的情况下,井筒轴向与最大主应力方向夹角小时, 井筒周边受力较小且分布比较均匀;随着水平应力方 向与井筒轴向夹角的增大,井筒围岩受力也逐渐增 大,且受力不均匀也逐渐显现出来。 由于井筒围岩体 处于三向受力状态,通常此三向应力均为压应力,但 对于不同的井筒断面形状和原岩应力状态下,在井筒 围岩也产生拉应力集中。 沈海超通过对煤系地层煤 岩和互层硬岩进行地应力量测,利用组合弹簧模型, 用下井筒围岩稳定及其合理的断面利用。 通过对 60 a 来国际上竖井施工断面形状应用统计,圆形和椭圆 形(或近似椭圆形) 竖井断面结构受力好,为目前国 际上竖井设计的主要断面选择形式。 [ 25-26] 反演得到煤层地应力分布状态。 王渭明等 通过 对两立井围岩压力长期监测,通过大量的测试数据分 析,提出了超深立井围压压力分布规律的量化参数和 经验公式,给出了任意荷载作用下的井壁应力函数, 由实测围岩压力推出井壁应力计算公式,并给出了井 筒开挖端位移释放函数。 通过现场监测地压数据进 行回归分析,可以得到多种形式的竖井地压经验公 式,这些经验公式具有实践意义,也存在局限性,由于 监测数据离散性较大,稳定性差,公式缺乏理论依据。 因此,如何科学地量测和解析原岩应力、构造应 力及其开凿诱发的次生应力的大小和方位,是确定井 筒围岩体工程力学属性、井筒稳定性分析、井壁结构 设计的重要参数,是实现超深井筒科学设计开挖的必 要前提条件。 4 ꢀ 井筒断面结构设计 对于常规竖井断面形状选择,主要考虑矿井服务 图 1ꢀ 椭圆形或类椭圆形井筒断面设计 年限、通风要求、地质条件和建设成本等因素;竖井断 面结构主要为矩形和圆形。 早期浅埋竖井( 深度小 于 600 m)断面多采用矩形断面井筒结构,充分考虑 井筒布设方向,在井筒围岩应力不大时,设计的矩形 井筒断面长轴方向垂直于矿体走向;当井筒围岩水平 应力较大时,其矩形井筒断面结构长轴方向与最大水 平主应力方向平行。 随着竖井开凿深度的增加,井筒 围岩承受的自重应力、附加应力和最大水平应力进一 步增加,在矩形井筒断面拐角处产生高应力集中,诱 致井筒围岩产生破坏,矩形断面设计逐渐被淘汰,代 之采用圆形竖井断面结构形式。 Fig. 1ꢀ Elliptic structure design of shaft cross-section ꢀ ꢀ 对于超深竖井基岩段井壁压力的计算:考虑到不 同方向的水平地应力不同(即侧压系数 λ 不同),以 最大主应力方向为 X 轴,最小主应力方向为 Y 轴,对 于井筒某一深度,通过该深度的最小主应力来确定最 大塑性区范围 Rp 。 当井筒向下开凿时,随着侧压系 数 λ 的增大,沿井壁应力分布越来越不均匀,当侧压 系数达到一定数值时,井壁局部可能会出现拉应力集 中区域。 因此,对于井筒断面形状设计可以采用外壁 为椭圆,内壁为圆的井壁结构来调整井壁上的应力分 布,最大主应力方向加大井壁厚度,维护井壁结构的 稳定性。 对于超深竖井而言,其井筒围岩不仅受自重应 力、附加应力的作用,同时在井筒深部,其井筒围岩受 水平地应力(原岩应力达到 95 ~ 135 MPa)、重复荷 载、爆破震动等叠加应力作用,导致井筒开挖后,其围 岩承受的叠加应力超过井筒围岩强度时,致使井筒可 能产生弹性变形、塑性破坏、甚至造成井筒围岩失稳 破坏、坍塌、甚至发生岩爆灾害。 由此可见,对于上述 5 ꢀ 复杂应力环境下井壁支护结构设计 竖井掘进到一定深度后,应及时进行支护,以支 承地压、封堵涌水以及防止岩体风化破坏,当掘进分 [ 27] 段较高,为保证施工安全,必须及时进行支护 。 竖 井井壁结构设计主要取决于竖井服务年限、所穿岩层 地质条件、水文地质条件、地应力分布特征以及建设 成本等。 对于金属矿山竖井井筒稳定性维护而言,主 要考虑井筒围岩稳固程度,在基岩段如果井筒稳定性 1 500 ~ 2 000 m 超深竖井而言,其水平构造应力大, 采用圆形井筒断面结构形式不能够满足要求,可设计 井筒断面结构形式为椭圆型(图 1),以满足高应力作 · 4· ꢀ ꢀ ꢀ 赵兴东:超深竖井建设基础理论与发展趋势ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 [34] 响。 D. L. Mckay 分析和评估了一种浅井的支护系 [35] 非常完好,通常不采取任何支护手段;如果井筒围岩 稳定性差,将采取井筒加固技术控制井筒围岩稳定。 最早采用木井框支护,支护结构简单,施工方便,但强 统。 M. J. Medd 描述了在浅井或者中深井硬岩矿 [ 36] 山通过岩柱保护竖井的情况。 I. I. Malunhire 主要 [ 28] 度低,防火性差,仅用于中小型矿山 。 20 世纪 50、 研究了南非深竖井喷射混凝土衬砌的情况。 M. Sh. [37] Shtein 主要研究分析了矿山竖井底部的应力状态。 6 0 年代初,我国主要采用料石衬砌井壁,但由于其施 [ 38] 工劳动强度大,效率低,漏水严重,目前很少使用。 随 着锚杆喷射混凝土技术的问世及新奥法施工技术的 发展,井筒采用喷射混凝土、锚喷支护及锚喷网支护 技术维护井筒围岩的稳定,具有技术先进、质量可靠、 经济合理及用途广泛等一系列优点,被广泛应用于竖 井支护之中。 据不完全统计,1995—2010 年国内采 Zh. S. Akopyan 对矿山立井非对称的破坏失稳过程 进 行 初 步 的 讨 论, 得 出 了 一 些 的 研 究 成 果。 [ 39] A. N. Guz 提出了竖井施工过程中的围岩稳定性分 析的基本原理。 S. A. Konstantinova 和 S. A. Chemopa- [ 40] zov 用数学模型模拟分析了深井支护加固过程中 的压力变化。 [ 29-30] 用锚喷支护的井筒 共计 73 个,井筒深度最大达 对于超深竖井开凿过程,其井筒支护仍然采用传 统的支护设计结构,不能有效控制井筒围岩的稳定, 必须要充分考虑岩爆等诱发动力冲击作用影响下井 筒围岩的稳定。 目前,在我国超深竖井建设过程中, 云南会泽铅锌矿三期竖井建设过程中,其凿井深度 1 526 m,在其开凿至 1 400 m 左右时,井筒出现岩爆 灾害、高承压水灾害,严重阻碍井筒施工速度以及井 筒长期稳定;抚顺红透山铜矿深部七系统建设过程 中,其开凿盲竖井井底深度在 1 600 m,在该盲竖井开 挖至深 1 400 m 左右时,其井筒围岩出现岩爆灾害。 由此可见,在超深竖井建设过程中,在井筒支护设计 中存在着不够明确的安全贮备系数,井壁支护强度过 大,造成工程上的浪费,井壁支护结构过小,将影响井 筒围岩的长期稳定,影响井筒使用寿命。 1 127 m,井筒净直径最大为 10 m。 与传统支护相比,锚喷支护可减小支护厚度 1 / 3 1 / 2,减小岩石开挖量 10% ~ 15% ,节省全部模板 ~ 及 40% 以上的混凝土,加快施工速度 2 ~ 4 倍,节约 劳动力 40% 以上,降低支护成本 30% 以上。 此外由 于锚喷支护不需要模板,因而大大改善了劳动条件, 减轻了劳动强度,为支护施工机械化创造了有利条 [ 31-32] 件 。 20 世纪 60 年代至今,现浇混凝土砌壁的支 护方式已经发展为主要的井筒支护结构形式,目前国 内使用此种支护方式的竖井已达 95% 以上。 混凝土 强度等级从 C20 发展到如今的 C60,混凝土井壁衬砌 厚度从 400 mm 增加到 700 mm,从素混凝土井壁、纤 维喷射混凝土发展为当前的双层钢筋混凝土井壁。 新设计的井壁衬砌方案显然提高了井壁支护强度,确 保了井壁支护安全可靠,但新设计的井壁结构大大提 高了井筒建设成本,严重影响了施工进度。 近年来, 为提高井筒衬砌效率,研发了适应井筒混合施工作业 工艺,设计并有效地应用了高度 3. 5 ~ 5. 0 m 的强度 对于岩爆倾向性岩体支护基本原则为:在开挖诱 发作用下,产生岩爆灾害,快速释放能量冲击井筒支 护结构;在高速动力冲击波作用下,其井筒支护结构 亦能快速产生一定的形变,同时保持井筒支护结构不 丧失支护强度,确保井筒支护结构的稳定。 此种井筒 支护结构既具有高支护强度,充分提高和发挥围岩自 身承载力,与支护结构共同形成互相协调、互相作用 的支承系统;同时又能确保在岩爆等动力冲击波作用 下能够快速释放岩爆产生的动能,确保井筒支护结构 的稳定。 如果不进行释能支护处理,在岩爆等动力冲 击荷载作用下,直接冲击井筒衬砌结构上,将导致井 筒衬砌结构失稳,致使围岩与衬砌不能形成相互协调 作用的支承体系。 [ 33] 大、立拆模速度快的金属活动模板 ,进行了混凝土 上料、计量、搅拌、输料等机械化装备开发,使用了大 流态、高强、速凝等多种性能混凝士,促进了我国竖井 井筒的永久衬砌支护技术和工艺长足发展。 国外从 20 世纪 50 年代开展了解决采动和地表 下沉对井壁的破坏作用的研究,德国于 1958 年由代 尔曼哈尼公司在鲁尔矿区的胜利号井,首次采用了柔 性滑动井壁(AV 井壁),并经受了几十年的采动考 验。 20 世纪 80 年代,我国采用这种技术为开滦东欢 佗副井设计了这种井壁。 波兰布埃斯矿安德哲提 6 号矿井在 20 世纪 80 年代,采用了一种双层滑动井 壁,井壁结构形式为内、外壁混凝土结构,中间夹有一 层沥青材料滑动层可以大大减轻地层竖向变形的影 到目前为止,没有一套比较成熟的、可供设计和 施工单位使用的计算理论与方法设计井壁厚度,仍以 工程类比法或者适用于浅部井筒围岩应力变形分析 的理论和公式为主设计井壁结构参数,其设计的井壁 结构和参数比较保守,主要表现为井壁结构强度高、 · 5· 总第 502 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 壁厚大,结果仍然免不了出现井壁开裂、破损等事故。 因此,通过在新建超深竖井井筒建立多维数据信息系 统,对井筒围岩体长期连续进行变形、应力等监测,充 分掌握超深井筒围岩体的应力变形规律,借此推导不 同应力环境下,井筒围岩ꢁ井壁结构相互作用机理以 及井壁承受荷载的能力,为超深井筒井壁结构的合理 设计提供基础数据是十分关键的。 (4)竖井信息化施工技术发展严重滞后。 我国 竖井信息化施工技术还处于起步阶段,关键技术仍待 以解决。 (5)我国一次成井技术仍停留在传统的掘支一 次成井情况;国外深井建设一次成井包括掘、支、装一 次完成,在井筒施工中即应用永久井架进行施工,在 竖井施工过程中,边施工边进行井筒装备,保证竖井 施工质量,亦解决竖井施工悬吊难题。 6 ꢀ 超深竖井施工技术 随着竖井建设深度的增加,竖井开凿的难度也将 (6)非悬吊为主吊盘装备研发迫在眉睫。 目前 我国竖井建设采用的三层吊盘,采用传统的“九悬十 八吊” 方式,应用多种稳车控制吊盘、电缆、排水管、 通风管、溜灰管等施工轻装备的运行;研发非悬吊为 主导轨式自驱技术,为超深竖井建设提供安全施工平 台尤为重要。 越来越大,安全事故发生的风险也在增加。 超深井一 次成井技术、超深竖井的提升、凿岩技术、深孔爆破技 术、装岩技术、设备悬吊和井筒支护技术、综合配套施 工以及工作面高温、岩爆高温危害等问题将更加凸 显,对施工人员、设备的安全形成巨大威胁。 6 . 1ꢀ 我国超深竖井建设存在的问题 对于我国规模 化 深 井 建 设 而 言, 特 别 是 对 于 2 000 m 超深竖井建设而言,需着重解决以下几个核 心理论和技术问题:①井筒断面结构设计理论基础; ②综合机械化快速凿井技术;③高水平地应力、高承 水压力、开挖扰动等复杂应力环境下井壁结构设计理 论基础及控制方法;④深井建设过程中降温技术;⑤ 罐道及罐道梁结构稳定性设计。 随着竖井建设深度的增加,竖井开凿的难度也将 越来越大,安全事故发生的风险也在增加。 超深井一 次成井技术、超深竖井的提升、凿岩技术、深孔爆破技 术、装岩技术、设备悬吊和井筒支护技术、综合配套施 工以及工作面高温、岩爆高温危害等问题将更加凸 显,对施工人员、设备的安全形成巨大威胁。 近年来, 因施工工艺不当、地压灾害防治不力、安全保障措施 不到位等因素导致的深竖井施工事故频繁发生,主要 表现在: 6. 2ꢀ 凿岩爆破工作 目前对于金属矿山竖井开凿而言,国内外主要采 用全断面控制爆破技术开凿,尽量减少对井壁围岩的 破坏。 现有 FJD 系列伞形钻架,配 YGZ、YGA 系列回 转钻机或者 HYD 型液压凿岩机,炮孔钻凿深度范围 3. 2 ~ 5. 5m,钻孔直径为 42、45 mm 2 种。 由于凿井 工作面狭窄、凿岩噪声大(125 ~ 130 dB)、雾气大,施 工环境恶劣,长时间在井下工作,工人出现耳鸣、头 晕,严重可能造成失聪等。 ( 1)凿井提升效率降低,安全风险大大增加。 常 规千米级深竖井的提升安全保障技术已不完全适用 于 1 500 ~ 2 000 m 超深竖井的施工,如何提高超深竖 井建井提升效率,并保障提升安全是目前亟待解决的 问题。 ( 2)井筒岩爆等地压灾害的威胁更加严峻,使得 井壁的破坏概率提高。 例如抚顺红透山铜矿竖井井 筒施工至ꢁ1 135 m 水平时,井筒围岩产生岩爆灾害; 云南会泽铅锌矿在 1 526 m 深竖井施工时,其井筒施 工至 1 400 m 左右中,井筒围岩受水平构造应力影 响,造成井筒围岩产生岩爆灾害,严重影响井筒的使 用寿命,借此研究井筒地压释能支护技术是当务之 急。 深孔爆破技术是井筒机械化混合掘砌施工的重 要组成部分,采用爆破设计软件设计爆破间排距、炮 孔数目、掏槽形式、孔深、最小抵抗线等具体爆破技术 参数,主要采用深孔微差爆破技术,减少爆破震动对 井壁稳定性的影响。 对于 5 m 深钻孔其单循环进尺 可以提高 85% 以上。 6. 3ꢀ 综合机械化快速凿井技术 ( 3)竖井深部的高温使作业面劳动条件恶化,严 竖井施工具有工序繁杂、工作面狭小、工作环境 恶劣、安全风险大、通风阻力大等特点。 实现竖井快 速施工,首先要建设安全的工作平台———吊盘。 吊盘 是竖井掘进、砌壁和井筒设备安装过程中的重要施工 设备,它既作为工作盘为工人提供作业平台,又作为 安装盘为各种凿井设备(如:卧泵、水箱、混凝土分灰 重威胁作业人员健康安全。 诸如思山岭铁矿地质钻 孔勘查发现在井下 1 503 m 处其原岩温度达 40. 1 ℃ ,红透山铜矿井下温度达到 36 ℃,已大大超出人体 能承受的范围,深井建设过程的降温技术研究亟待进 行。 · 6· ꢀ ꢀ ꢀ 赵兴东:超深竖井建设基础理论与发展趋势ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 器和中心回转抓岩机等) 提供安装基础。 在立井施 工过程中,经常需要升降井筒中的吊盘,这是通过四 台稳车共同收放其滚筒上的钢丝绳来实现的。 吊盘 在升降过程中其盘面应保持水平状态,因为:①井筒 内空间狭小,井筒中除悬吊吊盘外,还铺设各种管路, 悬吊风筒、吊泵等设备,若吊盘运行中发生倾斜会导 致吊盘与管路或悬吊的其他设备发生碰撞而造成设 备损坏;②吊盘上有作业工人,若吊盘在升降过程中 发生倾斜会危及工人人身安全,甚至导致工人坠入井 底事故的发生;③吊盘在升降过程中若发生倾斜,易 被井筒卡住,若稳车继续运行,会拉断钢丝绳,造成重 大安全事故。 多层吊盘设计及浇筑混凝土井壁设计 示意见图 2、图 3。 在建井技术方面,国外深竖井建设主要采用一次 成井,即掘、砌、安一次成井。 国外深井建设采用永久 井架,多层吊盘作为工作平台,其多层吊盘层数高达 10 层,吊盘高度最高达 150 m 高,其吊盘悬吊采用 4 个稳 车;在吊盘的底部 3 层用于凿岩、出渣、井壁衬砌,上部 各层作为罐道及罐道梁井筒装备;且其竖井施工过程 中,充分利用深竖井建设多中段、多水平特点,在凿井 的同时,在上部开拓水平应用马头门进行上部中段开 图 2ꢀ 凿井用多层吊盘设计 Fig. 2ꢀ Multi-layer platform design for sinking shaft 拓,大大缩短了矿山建设时间,同时确保深竖井的快 速掘进、安装建设。 现场施工装备示意见图 4。 图 3ꢀ 多层吊盘浇筑混凝土井壁设计 Fig. 3ꢀ Multi-layer platform design for pouring concrete lining 图 4ꢀ 竖井施工装备 Fig. 4ꢀ Equipment of sinking shaft · 7· 总第 502 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年第 4 期 ꢀ ꢀ 目前,我国竖井建设,主要采用 3 层吊盘作为工 能力限制竖井的提升能力;③高效能提升机的技术障 碍(800 ~ 1 000 t/ h);④单位提升重量下能量消耗高, 比理论计算值高 2. 2 ~ 2. 4 倍;⑤自动和手动循环运 行模式的复杂性,动力荷载对施工和维修的承重构 件,可靠性低;⑥对于安装大的构筑物所要求的空间、 复杂设计,基建工程和运行的复杂性和持续性,可靠 度不高;⑦矿井机房和提升机房的难操纵性和复杂 性。 总而言之,采用钢丝绳提升,从工程意义上讲严 重阻碍提升效率,因此,研发非钢丝绳提升系统是未 来发展方向。 作平台,在吊盘的底部用于凿岩、出渣、井壁衬砌,实 现掘、砌、支一次成井技术,待竖井掘进到底部后,拆 除吊盘,再进行永久井架、井筒装备安装。 我国凿井 还是采取常规的“九悬十八吊” 凿井悬吊系统,对于 深竖井开凿而言,该悬吊系统复杂,很难满足深竖井 建设需求,同时,由于采取“九悬十八吊”凿井悬吊系 统,很难实现凿井信息化管理。 由于新建矿山竖井断面大,而目前国内凿井吊盘 仍为传统的 3 层吊盘,其每层吊盘承载重量增加;在 竖井开凿过程中,如果吊盘结构设计不合理,吊盘重 量变化将导致吊盘出现“跳盘”、左右扭转等现象,给 凿井施工带来难题;大断面竖井建设吊盘悬吊系统复 杂,其建井稳车高达 16 台;吊盘作为凿井工作平台, 凿岩、爆破、装岩、出渣、支护工作循环中,需要频繁上 下移动吊盘,由于悬吊系统复杂,致使各悬吊钢丝绳 受力不均匀,将出现个别应力高的钢丝绳出现“ 爆 股”现象,如若不及时处理,将严重影响建井施工的 安全。 现场吊装吊盘图片见图 5。 7ꢀ 结ꢀ 论 系统总结了深井开采与超深井建设国内外发展 现状,针对国内外超深竖井建设存在的问题,提出相 应的解决方案,得出以下结论: (1)为有效提高井筒断面利用率,提出(类)椭圆 形井筒断面形状设计。 (2)针对超深井筒所处的复杂应力条件及其诱 发的高岩爆风险区域,提出释能井壁支护结构。 (3)系统介绍了多层吊盘施工特点,研发非悬吊 式吊盘的必要性。 ( 4)针对钢丝绳提升的限制,研发非钢丝绳提升 系统,解决超深竖井提升难题。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ Alfred Carbogno. 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