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金川龙首矿西二采区主井返修施工技术
2015-07-17
针对金川龙首矿西二采区主井围岩变形破坏,开展了主井井筒返修加固优化设计和工程施 工技术研 究。首先对井筒的变形破坏现状进行详细勘察,并通过井筒围岩的节理裂隙调查与统计分析,揭示 了主井井筒围岩 稳定性现状以及影响工程稳定性因素;然后针对主井不同区段围岩的工程特点和变形破坏特征,提 出了双层喷锚网、 C60 钢筋混凝土、槽钢井圈、U 型钢拱架、长短锚索和锚注等多种不同支护方案;最后在施工过程 中,根据主井工程地 质变化情况开展支护和施工技术的优化设计工艺调整。主井在返修加固后投入使用结果表明,返修 的工程基本处于 稳定状态。由此证明了针对主井的返修加固方案...
Series No. 469 ꢀ Julyꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 469期 METAL MINE 2015 年第 7 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金川龙首矿西二采区主井返修施工技术 1 1,2 1 2 袁国斌 ꢀ 杨志强 ꢀ 高ꢀ 谦 ꢀ 靳学奇 ( 1. 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;2. 金川集团股份有限公司,甘肃 金昌 737100) 摘ꢀ 要ꢀ 针对金川龙首矿西二采区主井围岩变形破坏,开展了主井井筒返修加固优化设计和工程施工技术研 究。 首先对井筒的变形破坏现状进行详细勘察,并通过井筒围岩的节理裂隙调查与统计分析,揭示了主井井筒围岩 稳定性现状以及影响工程稳定性因素;然后针对主井不同区段围岩的工程特点和变形破坏特征,提出了双层喷锚网、 C60 钢筋混凝土、槽钢井圈、U 型钢拱架、长短锚索和锚注等多种不同支护方案;最后在施工过程中,根据主井工程地 质变化情况开展支护和施工技术的优化设计工艺调整。 主井在返修加固后投入使用结果表明,返修的工程基本处于 稳定状态。 由此证明了针对主井的返修加固方案合理有效。 关键词ꢀ 地下矿山ꢀ 主井工程ꢀ 变形破坏ꢀ 返修加固 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD352ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-07-034-05 Construction Technology of Main Shaft Repair in Second West Mining Area of JinChuan LongShou Mine 1 1,2 1 2 Yuan Guobin ꢀ Yang Zhiqiang ꢀ Gao Qian ꢀ Jin Xueqi ( 1. Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083,China; 2. Jinchuan Group Co. ,Ltd. ,Jinchang 737100,China) Abstractꢀ Considering the deformation failure of surrounding rock of main shaft,the optimal design and construction technology for repair and reinforcement of main shaft was studied. First,detailed investigation for the deformation and failure situation of shaft were finished,the steady situation of main shaft surrounding rock and the factors affecting stability of engineer- ing were showed by investigation and statistical analysis on joint fissures of shaft surrounding rock. Then,considering the engi- neering characteristics and deformation failure characteristics of different rock segments,many different support schemes were put forward,such as combined bolting and shotcrete net,C60 reinforced concrete,channel steel,U-formed arched falsework, long or short anchor and bolt-grouting etc. At the same time of construction,according to the diverse engineering geological con- dition of main shaft,the design and process adjustment of supporting and construction technology is optimized. After reinforce- ment and repair of main shaft,the results show that the engineering keeps stable. It is proved that the repair and reinforcement scheme of main shaft is reasonable and effective. Keywordsꢀ Underground mine,Main shaft engineering,Deformation and failure,Repair and reinforcement [ 6] ꢀ ꢀ 主副井是地下矿床坚井开拓的控制性工程,是矿 行修复加固,取得良好的返修效果 。 占仲国等针 对某超深矿山竖井破坏,提出了钢模板+钢筋混凝土 衬砌(内模法)+锚杆(土钉封堵法) +锰钢护筒(护筒 跟进法)的修复加固方案,是矿山竖井工程修复、加 [ 1] 床开采的永久性工程 。 矿山投入产后,井筒的变 形破坏会给矿山正常生产带来极大影响和严重威胁; 为确保矿山安全生产,当井筒在生产使用过程中发生 变形破坏时,需要根据井筒的地质条件以及地压显现 [ 7-8] 。 采用注浆加固、预应力锚索、锚 固另一成功案例 [ 2] 特征,对井筒进行返修加固 。 国内在坚井工程的 返修加固有许多成功的先例,积累了丰富的实践经 验。 金川二矿区 14 行回风井的成功返修,开创了国 注等联合支护加固技术,对竖井变形破坏进行的成功 修复,为锚注技术在坚井修复工程中的成功应用提供 [ 9-11] 。 了可以借鉴的工程经验 [ 3-5] 。 陈廷学等成功地应 内矿山竖井工程返修的先例 龙首矿西二采区主、副井是金川矿山西二采区贫 矿开发利用的控制性工程,布置于矿体北部侧翼。 矿 用预应力锚索对祁东煤矿南风井井筒连接处破坏进 收稿日期ꢀ 2015-03-23 作者简介ꢀ 袁国斌(1982—),男,硕士研究生。 · 34· ꢀ ꢀ ꢀ 袁国斌等:金川龙首矿西二采区主井返修施工技术ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 体埋藏深和地压大,矿区地应力高,岩体节理裂隙发 围内,存在潜在的长期蠕变变形和长期稳定性问题, 井筒处于初期的临界稳定状态。 [ 12] 育,围岩稳定性极差 。 由于主井工程在施工前未 打工程地质钻孔进行详细的地质勘探,在岩石力学条 件不明的情况下进行施工,由此给工程的稳定性带来 潜在安全隐患。 随着井筒开挖深度增加,工程地质条 件恶化,深部围岩具有明显的断层破碎带特征,工程 地质条件极差。 因此,在主井施工过程中,针对工程 地质条件的变化对支护设计进行了多次修改。 由于 对该种复杂地质条件认识的局限性,井筒施工结束后 部分工程围岩变形开裂。 为了保证主井投产后长期 的稳定性和安全生产,开展了主井井筒的返修支护设 计与施工技术研究。 1. 3ꢀ 主井变形破坏和支护现状 对井筒 1 234 ~ 1 119 m 共 115 m 井筒进行变形 测量。 每个面按方位测量 8 个点,共测量 652 个点, 变形点共计 176 个,占测点的 27% 。 井筒变形的区 段主要集中在 1 167 ~ 1 152 m、1 147 ~ 1 120 m。 主 井井筒支护与变形破坏概况见表 1 所示。 表 1ꢀ 主井支护与变形破坏情况 Table 1ꢀ Support and deformation failure conditions of main shaft 高程 长度 / m 井筒支护方案 变形破坏情况 / m 1 ꢀ 主井概况 素混凝土 C30,厚度 400 mm,前 23 m 为加双层钢 无变形 筋。 1 738 ~ 309 1 . 1ꢀ 工程概况 1 429 2 主井净直径为 ϕ5. 3 m,净断面 22. 051 m ,井口 以 C30 素混凝土厚度 400 1 1 429 ~ 195. 5 mm)支护为主,局部破碎 井筒无变形,马头门 带和 1 429 m 马头门采用 变形 10 ~ 200 mm 双层喷锚网支护。 标高 1 738. 5 m,井底标高 1 063 m,井深 675. 5 m,最 低运输中段为 1 220 m。 井筒内设有 1 120 m 马头 门,1 165 m 大件道马头门,1 120 m 箕 斗 装 矿 硐 室,1 063 m 粉矿回收马头门。 233. 5 1 次 喷 锚 网 支 护, 2 次 1 165 m 马头门变形 1 195. 5 ~ 1 C30 ~ C40 混凝土支护, 500 mm,1 221 m 马 厚度 400 mm, 马头门加 头门上下 60 m 范围 32. 5 1 063 强支护。 左右变形开裂。 1 . 2ꢀ 工程地质条件 2 ꢀ 主井返修技术与施工方案 主井工程位于金川矿区 F1 、F2 、F3 断层综合影响 首先对井筒全深范围的变形破坏情况进行勘察, 带内(见图 1),处于 F1 上盘和 F3 下盘,矿区围岩比 较破碎,工程地质条件复杂。 根据井壁破坏情况,确定以下几个范围的返修加固方 案:①1 240 ~ 1 063 m 长 177 m 井筒;②1 220 m 马头 门;③1 165 m 大件道马头门;④1 120 m 箕斗装矿硐 室;⑤1 063 m 粉矿回收马头门。 根据变形破坏程度 确定不同部位的加固支护方案,主井工程不同位置的 支护设计如图 2 所示。 图 1ꢀ 主副井工程位置及断裂构造 Fig. 1ꢀ Main/ auxiliary shafts location and fault structures 主井的工程地质和稳定性情况如下。 ( 1)主井工程上部内 1 738 ~ 1 429 m 范围内 309 m 长的井筒,围岩为Ⅲ ~ Ⅳ类岩石,地压较小,裂隙水 不丰富,地质条件相对较好,基本处于稳定状态。 ( 2)主井 1 429 ~ 1195. 5 m 范围内 233. 5 m 长的 井筒围岩为 2 种岩性:上部是属于Ⅳ类围岩的条带状 混合岩,稳定性较差;下部为定性稍高花岗岩岩脉,由 于围岩埋藏深,地应力大,稳定条件变差。 马头门及 其影响范围的井筒出现变形破坏现象,该段井筒整体 上处于稳定状态。 图 2ꢀ 主井不同位置的支护设计参数 Fig. 2ꢀ Support design parameters for different positions of main shaft ( 3)主井工程 1 195. 5 m 以下的 132. 5 m 井筒埋 藏较 深、 地 压 变 大、 地 下 水 丰 富, 且 该 段 井筒受 165 m 大件道马头门的影响,约 60 m 长的井筒范 1 · 35· 总第 469 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 2 . 1ꢀ 开口段返修支护 300 mm,2 层钢筋之间的拉筋为 ϕ8 @ 500 mm×600 mm,钢筋搭接长度为 35d(d 为钢筋直径),拉筋两端 弯钩总长度为 12. 5d。 在浇筑混凝土时,所有钢筋必 须按设计绑扎成一个整体。 主井井筒返修采用从上至下施工方案。 在井筒 返修开凿原井壁前,先对返修开口段上部 25 m(1 40 ~ 1 265 m 段)的井壁先采取加固措施后,再进行 井筒返修工作。 该范围的井壁采用锚杆+锚索+锚网 壁后注浆的联合补强措施进行加固处理。 特殊段 2 对返修段井壁返修前,应先进行注浆充填加固壁 后围岩(注浆锚杆布置根据现场具体岩石情况自定, 长度 1. 2 m,具体发生量以现场监测为准) 之后再开 + 采用锚杆加密的支护方法,锚杆规格 ϕ18 mm×2 250 mm,网度 0. 2 m,呈梅花状布置,采用 δ = 10 mm、S = 2 凿。 开凿井壁第 1 模时按每 4 m 施工 1 个循环。 井 2 00 mm×200 mm 的碟形托板+双螺母(M20) 紧固。 壁每分区凿开刷够尺寸后,先采用 100 mm 的喷锚网 支护接茬顶部及井壁,按此施工顺序等整个段高施工 完后,进行外壁浇筑 400 mm 厚的双层钢筋混凝土井 壁,锚杆露头应与混凝土配筋牢固扎在一起。 浇注混 凝土的强度等级为 C60。 等外壁浇注至返修段结束 后,更换 ϕ5. 4 m 吊盘和 ϕ5. 4 m 模板从下向上进行 内壁浇注,内壁浇注 600 mm 的双层钢筋混凝土,浇 注混凝土的强度等级为 C60。 2 次浇注混凝土支护 的总厚度为 1 000 mm,井壁内径不得小于 5 400 mm。 网片采用 ϕ6. 5 mm 的圆钢焊接,规格为 2. 2 m×1. 2 m,网度 75 mm×75 mm,金属网须贴紧混凝土壁面。 锚索采用 ϕ15. 2 mm 钢绞线制作,长度 6 m,网度 1. 2 m;采用 QLM 型锚索机,垫板规格 δ = 10 mm、S = 250 mm×250 mm,加固后的井壁(或锚杆、锚索等突起处) 与箕斗突出部位的间隙均不得小于 350 mm。 注浆锚 杆采用 ϕ32 mm×6 mm 无缝钢管制作,长度为 3 m,排 间距为 2 m,注浆材料为双液浆,水灰比 1 ∶ 0. 8,注浆 时确定适当的压力,以防压力过大造成井壁破坏。 3ꢀ 施工中存在的困难 2 . 2ꢀ 马头门返修支护 120 m 水平以上马头门原则上不再开凿,进行 (1)工程地质条件复杂。 根据原始地质编录资 料分析,主井在工程施工过程中,总共揭露出 20 多条 较大的构造面。 1 喷锚网+锚索加固处理,必要时进行再浇注 1 层 300 mm 的双层钢筋混凝土。 (2)工程量大和工期紧。 主井返修工程工期包 括施工准备、地表设施 30 d,井筒修复工期 300 d(按 井筒修复工程量为 177 m 计算),共计 330 d。 井筒在 返修到 1 165 m 水平时,马头门对面井筒开裂发生了 较大规模的围岩垮落,被迫将返修方案变更为回填井 筒后再向下施工,因此计划工期被迫延长。 (3)施工工艺复杂,安全和质量管控难度大。 主 井返修工程既是井下作业,又属于高空立体交叉作业 对于 1 120 m 箕斗装矿硐室凿掉原有支护体,重 新浇注 2 层双层钢筋混凝土,同时增加锚杆锚索支 护,锚杆锚索露头须与混凝土配筋牢固帮扎。 总支护 厚度为 1 000 mm,2 次各为 500 mm,配筋参数要求与 井筒部分相同,同时硐室内空间比原设计预留 100 mm 的放压变形空间。 该部分的混凝土浇注和钢筋 绑扎与井筒支护同时进行,使井筒和硐室的支护成为 一个整体以更好地抵抗围岩应力。 2 (作业高差达 190 m),还要在井筒 21 m 的空间内进 1 063 m 粉矿回收马头门返修时先凿掉原有支护 行爆破作业,施工安全管理与控制难度增大。 主井返 修工程施工工序繁杂,在实施爆破、除渣作业后,还要 根据井筒、马头门不同的破坏程度和围岩条件,采取 以双层喷锚网(砂浆、树脂锚杆)、C60 钢筋混凝土、 槽钢井圈、U 型钢拱架、长(短) 锚索、锚注等优化成 不同的联合支护方式进行多次支护,地表高空施工作 业等,因此施工工艺和工序复杂,组织难度高,造成施 工安全质量管控难度大。 体,重新浇注双层钢筋混凝土,支护厚度为 600 mm, 配筋参数:主筋为 ϕ20 mm@ 200 mm,副筋为 ϕ16 mm @ 250 mm,2 层之间的拉筋为 ϕ8 mm@ 400 mm×500 mm。 支护后保证设计尺寸。 2 . 3ꢀ 返修区段的支护设计 返修区段为井筒 1 240 ~ 1 063 m 的范围,返修长 度 177 m,采用 2 次双层钢筋混凝土支护。 1 次支护 为 100 mm 厚喷锚网支护,采用树脂锚杆,锚杆的间 排距为 1 m×1 m,锚杆的规格为 ϕ18 mm、L = 2 250 mm,树脂锚杆全长锚固,呈梅花形布置。 网片采用 ϕ6. 5 mm 圆钢制作,2 200 mm ×1 200 mm,网度 75 mm×75 mm,金属网紧贴岩面。 2 次支护为 400 mm+ 4ꢀ 主井返修过程优化设计研究 4. 1ꢀ 返修过程中开展返修方案优化设计 (1)1 120 m 以上马头门返修方案优化设计。 由 于破碎硐室改址,1 165 m 马头门不再承担下大件的 任务,但由于原马头门破坏较为严重,因此,该马头门 返修不凿掉原有支护体,仅在原有支护体外再浇筑 1 层 300 mm 厚的双层钢筋混凝土。 1 220 m 马头门破 6 00 mm 厚 C60 双层钢筋混凝土支护。 混凝土配筋 参数:主筋为 ϕ20 mm@ 250 mm,副筋为 ϕ16 mm@ · 36· ꢀ ꢀ ꢀ 袁国斌等:金川龙首矿西二采区主井返修施工技术ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 坏程度较轻,因此仅对已有马头门以喷锚网和锚索进 行加固。 优化。 主井原返修方案为不回填,利用吊盘采用悬空 作业返修法,但当返修至 1 170 m 水平时,发现 1 165 m 附近及以下井壁混凝土发生了严重变形开裂,部分 混凝土井壁及原岩垮落形成空洞,使得该部分和以下 井筒 100 m 混凝土基本失去承载能力,严重影响到施 工安全。 为了保证安全及防止垮落对上部近 600 m 井筒稳定性造成不利影响,改原返修方案为对 1 165 m 马头门及以下井筒回填后返修的方法。 ( 2)加强 2 次双筋混凝土之间黏接力的返修方 案优化。 本次井筒返修采用 2 次双筋混凝土分段进 行,在第 1 次井筒混凝土支护 20 m 左右后,施工第 2 次双筋混凝土。 为防止 1、2 次井筒混凝土之间发生 整体脱落现象,对 1、2 次混凝土支护进行联接,具体 方法为在第 1 次混凝土接茬之间打锚杆,锚杆间距 1 . 7 m,锚杆长度 1. 8 m,与外膜钢筋采用勾连方式, 前 2 模每模 1 排,之后加固间距 3. 8 m。 3)马头门整体支护方案优化。 为了保证马头 4. 2ꢀ 成功配制出高强度混凝土并成功应用 此次主井返修的主要目的是保证主井返修后的 长期稳定使用,永久支护混凝土的强度等级均设计为 C60。 二矿区 14 行风井返修施工时率先引进了 BR 型高性能混凝土复合剂以提高混凝土强度,首次成功 配制出高强度混凝土并成功应用, 取得良好的效 ( 门与井筒的整体性,提高马头门的抗破坏能力,在马 头门套灰时,井筒 1 次支护到马头门地板以下 1 模, 随后立即进行井筒的 2 次支护工作,井筒 2 次支护钢 筋与马头门钢筋连接成整体,并整体稳模套灰,从而 保证马头门的支护强度。 [ 3] 果 。 根据浇注混凝土配合比设计原则及 14 行回风 井的工程经验,进行了相关配比试验。 试验配比及强 度检测结果见表 2。 ( 4)1 165 m 马头门及以下井筒回填后返修方案 表 2ꢀ 主井返修混凝土试验配比及强度 Table 2ꢀ Ratio and strength of main shaft repair concrete test 3 材料耗量/ (kg/ m ) 抗压强度/ MPa 7 d 28 d 水灰比 砂ꢀ 率 备ꢀ ꢀ 注 水泥 中砂 碎石 BR 增强复合剂 水 4 4 4 4 4 80 80 50 85 50 615 615 650 629 670 1 138 1 138 1 128 1 168 1 139 216 144 178 197 147 0. 45 0. 30 0. 40 0. 41 0. 33 0. 35 0. 35 0. 37 0. 35 0. 37 29. 7 46. 2 44. 2 48. 0 45. 5 空白试验 57. 6 45 试验配合比 施工配合比 58. 2 45 67 ꢀ ꢀ 注:砂率为砂占骨料的比率。 ꢀ ꢀ C60 浇注混凝土施工配合比试验应用研究的实 化成不同的联合支护方式进行多次支护。 在施工过 程中开展返修方案与支护工艺优化研究,根据实际情 况不断调整返修支护方案。 联合支护工艺和返修方 案的不断优化研究,是主井成功返修的关键,可在同 类工程中推广应用。 施与应用,满足了主井返修对浇注混凝土高强度的要 求,确保了返修质量,现场取样浇注试块检测,28 d 强度达到 62 MPa。 C60 浇注混凝土 7 d 强度可达 40 MPa 以上,具有早期强度高的特点,在主井修复施工 过程中,大大加快了施工进度。 (2)自配的 C60 高强度混凝土的成功应用,为矿 山设计使用高强度浇注混凝土提供了丰富的设计依 据与实践经验。 C60 具有早期强度高的特点,在井下 施工过程中,在一些关键部位,采用 C60 浇注混凝土 能够大大加快施工进度,为不良岩层下的井巷工程支 护,提供了新的支护方法。 4 . 3ꢀ 采用控制爆破,减少对围岩的扰动 井筒的工程地质条件差,破井壁使用控制爆破 法,减少因爆破对井筒围岩的震动和避免超挖,同时 保护井筒内的施工设备。 开凿井壁第 1 模时按每 4 2 m 施工 1 个循环进行。 爆破后采用人工使用风镐、 手镐等工具刷大,直至井筒荒径符合设计要求。 刷落 的毛石直接落入井底,由布置在 1 063 m 水平的 P ꢁ 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 3 0B 耙矸机装上矿车,经副井提升排出,避免了毛石 [1]ꢀ 解世俊. 金属矿山地下开采[M]. 北京:冶金工业出版社,2013. 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