超深豎井建設基礎理論與發展趨勢

趙興東

(東北大學采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110819)

隨著地下金屬礦床開采深度的逐漸增加，“深井(部)開采”和“深豎井”兩個詞應用的越來越廣泛。深井開采主要與巖石類型、應力和初始巖溫等條件直接相關，判斷是否進入深井開采，通常考慮勘探、采礦、支護以及監測的巖體力學參數、環境條件、開采和破巖以及人員、材料和巖石的轉運等因素的特殊性，尤其是工程地質條件、采掘技術、地壓控制和礦井通風等差異性變化[1]。在南非，深井開采指礦山開采深度超過2 300 m，原巖溫度超過38 ℃的礦山[2]，超深井開采指其開采深度超過3 500 m的礦山。加拿大定義超深井開采礦山指在2 500 m以下既能保證人的安全，同時礦業公司能獲得經濟效益的礦山[3]；近年來，作者通過對南非和加拿大等多個國家深井開采礦山進行現場考察發現，巖爆等動力災害、井下高溫以及采動地壓是深井開采礦山面臨核心難題，因此對于在深井開采礦山，應系統研究采動應力、回采順序，動態調控地壓、釋能支護、通風制冷等關鍵理論與技術，同時還要考慮運輸要求與礦山開采經濟效益。為有效開采深部礦體，通常需要開鑿(超)深豎井。在我國，深豎井指礦井建設豎井深度在800～1 200 m，超深井是指礦井建設深度超過1 200 m深的豎井。

1 國外超深豎井建設現狀

目前，世界上開采深度超過2 000 m的礦山主要集中在南非、加拿大、俄羅斯等國家，其中南非有14個礦區開采深度超過2 000 m，部分礦山開采深度超過3 000 m[3]，在2015年，大約40%的金礦開采在 3 000 m以下。其中開采最深的礦山是位于南非金山盆地西部金礦田的Tau Tona金礦(采深3 900 m)、Savuka金礦(采深3 900 m)和Mponeng金礦(采深 4 500 m)3座姊妹礦，其中Tau Tona金礦在1957年開鑿2 000 m深豎井，于1962年投產，其井下原巖溫度達到60 ℃。開采深度超過3 500 m的礦山，主要有Kloof金礦、Western Deep Levels金礦、East Rand Proprietary 金礦(采深3 585 m)和Driefontein 金礦等[4]。2012年，在南非豪登省的South Deep金礦花費7 a時間，投資50億美元，開鑿了世界上最深的豎井(井深2991.45 m)，將開采大約4.5億t金礦石。在北美，加拿大Falconbridge公司的Kidd Creek銅金礦開采深度3 120 m，采用下向深孔和上向水平充填采礦法，日礦石產量約7 000 t；加拿大Goldcorp的Red Lake開鑿2 195 m深豎井；加拿大Creighton礦開拓深度達2 550 m，采用下向深孔和上向水平充填采礦法，日產礦石量3 000～3 500 t[5]；加拿大Agnico-Eagle s公司的金礦開采深度3 048 m，其新4#豎井井底深度超過3 000 m，是世界上采用下向深孔空場嗣后充填法開采最深的礦山。美國北愛達荷的Hecla Lucky Friday鉛鋅礦，開鑿直徑5.5 m、深達2 900 m的豎井。在北歐開采最深的礦為芬蘭的Pyh?salmi礦，其開采深度為1 444 m；俄羅斯開采最深的礦山為Skalistaja(BC10)礦，其豎井提升深度為2 100 m；俄羅斯烏拉爾銅礦開鑿豎井深度為1 720 m，采用8繩落地摩擦式提升系統。在亞洲，印度的Kolar金礦區有3座金礦井采深超過2 400 m，其中Champion Reef金礦開拓112個中段，開采深度達到3 260 m，開采誘發產生嚴重巖爆災害，致使該礦已停產關閉[6]。在澳大利亞，開采最深的礦山為昆士蘭的Mount Isa礦，開采深度為1 800 m。

從上述統計可以看出，世界上開采深度超過 2 000 m的礦山主要集中在南非和加拿大，在南非主要采用豎井和平巷開拓，采用充填法開采，在加拿大主要采用豎井和斜坡道聯合開拓，機械化程度高，主要采用空場嗣后充填采礦方法及下向充填采礦方法。南非主要開采黃金、鉆石和鈾礦，在加拿大主要開采鎳、銅、金等貴重金屬，且其礦山品位都比較高，開采的礦石量不多，但其開采金屬量多，噸位礦石開采價值高，噸礦成本低。

2 國內超深豎井建設現狀

在國內，目前煤炭行業超過千米豎井達到55條井，金屬非金屬礦山在建和擬建井深超過1 000 m達到45條，在建或擬建開采深度超過1500 m的礦山主要有撫順紅透山銅礦、本溪思山嶺鐵礦、本溪大臺溝鐵礦、鞍山陳臺溝鐵礦、山東濟寧鐵礦、云南會澤鉛鋅礦、山東三山島金礦西嶺礦區、云南大紅山鐵礦、招金瑞海礦業、中金山東沙嶺金礦等。本溪思山嶺鐵礦礦體埋深達到2 000 m以上，為有效開采深部礦體，其共設計7條豎井進行開拓，包含2條主井(1 505 m)、1條副井(1 503 m)、1條進風井(1 150 m)、1條措施井(1 320 m)、2條回風井(1條1 400 m、1條1 120 m)[7]。遼寧大臺溝鐵礦在1號坑建1 250 m深探礦井[8]；云南會澤鉛鋅礦探礦3#明豎井，井口地平地表標高+2 380 m，井底標高+854 m，井深1 526 m，井筒斷面直徑為6.5 m，井下設4個馬頭門，井口段采用鋼筋混凝土支護，厚度1 000 mm，井筒段采用混凝土支護，支護厚度400 mm，在豎井開鑿至1 400余m時，井壁產生巖爆現象，并出現大量涌水，嚴重影響井筒施工[9]。撫順紅透山銅礦七系統探礦工程，由 -827 m中段以下新開拓至-1 253 m中段，盲豎井井底深度已達1 600 m，在該盲豎井施工至1 400余m (-1 137 m)深時，井筒圍巖產生巖爆現象。三山島金礦西嶺礦區勘探出礦體多賦存于-700 m以下，在 -1 800 m深時礦體仍未封閉，其賦存深度達到 2 060.5 m，擬建2 005 m深豎井。中金集團沙嶺金礦主井設計深度1 598.5 m，副井設計深度1 633.5 m。我國磁西、萬東和史村煤礦煤層埋深900～1 800 m，在磁西1#井建成1 320 m深豎井[10]。

綜上分析可以看出，南非在1952年開始建設 2 000 m深豎井，國外目前在建的豎井深度主要集中在2 500～3 000 m，而當前我國已經完成施工的千米以上豎井深度基本在1 200 m左右，隨著未來勘探技術水平的提高，深部礦體逐步被發現，在未來15～20 年，我國超深豎井建設深度主要集中在1 500～2 000 m；由此可以看出，在超深豎井建設方面，我國還處于初步發展階段，與國外相比具有一定的差距。國外深井采礦主要集中開采黃金、鉆石、鈾礦、鎳、銅等貴重、有色金屬，且其礦石品位高，盡管其開采規模都在 8 000 t/d左右，但其礦山利潤高；而我國深井開采主要開采鐵礦石、銅礦和黃金等，并且相比國外礦石品位低，需要大功率提升機與大斷面井筒、規模化開采來保證礦山企業經濟效益。

3 超深井筒圍巖應力解析研究現狀

在高應力、高承水壓力、高巖溫及非線性動荷載作用下，其深部巖體破壞與淺部巖體破壞有著本質區別。由于超深豎井井筒圍巖地質環境進一步劣化，發生強烈非彈性破壞，致使井筒圍巖地壓顯現更加劇烈，出現諸如脆-延性轉化大變形、高應力強流變、高巖爆風險等破壞形式，動力擾動作用更加明顯。

井筒圍巖壓力是在豎井開挖過程，誘發井筒圍巖體和井壁支護結構產生變形、破壞的基本作用力。對于井筒圍巖應力分析的發展，大致經歷了古典壓力理論階段、散體壓力理論和彈塑性壓力理論3個階段[11]。20世紀50年代以來，我國計算豎井井筒壓力主要應用海姆公式(Heim A)、郎金(Rankine W J M)和金尼克理論對巖體內的垂向自重應力進行估算，此3種理論對水平地應力計算都由垂向地應力乘以側壓力系數得到，垂向地應力為上覆巖層容重(γ)與深度(h)的乘積，不同的是側壓系數的改進和巖層厚度的取值范圍。由于當時井筒埋深不大，曾一度認為這些理論是正確的。

隨著井筒開挖深度的增加，逐漸發現古典壓力理論不符合實際情況，出現了許多新的井筒壓力計算理論。前蘇聯M.M.Ⅱротодьяконов(普氏)[12]認為井壁壓力就是巖體極限平衡狀態的側壓力，適用于井筒淺部表土層中的壓力計算。前蘇聯Ⅱ.M.Цимбаревич(秦氏)理論[13]觀點與普氏相類似，只是不用加權平均的堅固系數，而是分層計算，在計算中將滑動體看作棱柱體，而實際是圓錐體或圓柱體，進而導致其計算結果偏大。前蘇聯В.Г.Береэанцев的松散體極限平衡理論，將豎井井壁看作圓柱面，表土層開挖后，表土層內的土體或破碎巖體向內滑移，按空間軸對稱極限平衡方程求解得出井壁壓力。別林贊茨葉夫認為井筒地壓大小并非沿著深度的增加而無限量增長，到一定深度后地壓最終趨于穩定值。依據土力學中關于兩平行剛性墻間散體壓力的原理推導出夾心墻土壓力公式，適用于不含水或弱含水的表土層[14-15]。別林贊茨葉夫方法面向的是較深的地層，認為地壓并非是隨井深增大而無限增大的，只能增加到某一數值。但這些井筒壓力理論沒有認識到井筒圍巖塌落并不是形成圍巖壓力的唯一來源，圍巖壓力并不是松散壓力而是形變壓力，不能科學地分析井筒圍巖破壞范圍及其形成過程。

由于井筒圍巖的復雜性和散體理論分析不夠科學，必然導致基于工程類比的經驗法廣泛應用。20世紀70年代后，工程巖體分級由定性向半定量、由單因素向多因素綜合評價方向發展[16]，具有代表性的主要有RQD、Q、RMR、GSI巖體穩定性分級，這些經驗公式涉及的指標較多，且這些指標的選取存在很大的主觀性。1962年，Kastner認識到井筒圍巖壓力主要是圍巖和巖體結構之間的形變壓力。許多工程實踐表明，井筒圍巖進入塑性，直至破壞狀態，必須考慮塑性問題和破壞問題來研究井筒圍巖的穩定性。關于井筒圍巖應力分布計算的模型很多，有的假設地層各項同性、均質，基于線彈性理論推導井筒應力分析模型；有的是基于井筒圍巖節理、裂隙發育等弱面結構，分析井筒圍巖應力分布特征。著名的芬納(Fenner)公式和卡柯(Caquat)公式均是應用彈塑性理論和Mohr-Coulomb屈服準則[17-19]對圓形井筒進行了分析。但芬納公式未考慮塑性區內圍巖所受的垂直重力的影響，由此估算的塑性區半徑偏大。塑性巖體計算方法以及芬納公式和卡柯公式均考慮了井筒圍巖的彈塑性變形，應用彈塑性理論分析較多，對深部硬巖和軟巖中井壁壓力不再適用。

在實際工程中，根據現場實測結果發現井壁所受的壓力無論軸向和徑向都是極不均勻的。壓力不均勻使得井筒內產生彎矩，進而井壁內產生拉應力，使井壁產生裂紋最終破壞，造成不均勻壓力的原因是多種多樣的，例如地層構造、巖石性質不同、井筒壁后注漿等因素[20]。侴萬禧在分析受不均勻荷載作用下豎井井壁應力和位移的基礎上，采用反分析方法對豎井井壁的外載進行了相關研究[21-22]，文獻[22]認為，立井井壁外表面非均布應力呈橢圓形分布。王渭明等[23-24]分別在孫村煤礦千米進風井和石集煤礦立井進行全深度的地壓監測，得到井壁壓力沿井壁環向很不均勻，發現巖層傾角越大井筒橫截面上的地壓分布越不均勻，對豎井地壓分布影響顯著。在水平應力為主的情況下，井筒軸向與最大主應力方向夾角小時，井筒周邊受力較小且分布比較均勻；隨著水平應力方向與井筒軸向夾角的增大，井筒圍巖受力也逐漸增大，且受力不均勻也逐漸顯現出來。由于井筒圍巖體處于三向受力狀態，通常此三向應力均為壓應力，但對于不同的井筒斷面形狀和原巖應力狀態下，在井筒圍巖也產生拉應力集中。沈海超通過對煤系地層煤巖和互層硬巖進行地應力量測，利用組合彈簧模型，反演得到煤層地應力分布狀態。王渭明等[25-26]通過對兩立井圍巖壓力長期監測，通過大量的測試數據分析，提出了超深立井圍壓壓力分布規律的量化參數和經驗公式，給出了任意荷載作用下的井壁應力函數，由實測圍巖壓力推出井壁應力計算公式，并給出了井筒開挖端位移釋放函數。通過現場監測地壓數據進行回歸分析，可以得到多種形式的豎井地壓經驗公式，這些經驗公式具有實踐意義，也存在局限性，由于監測數據離散性較大，穩定性差，公式缺乏理論依據。

因此，如何科學地量測和解析原巖應力、構造應力及其開鑿誘發的次生應力的大小和方位，是確定井筒圍巖體工程力學屬性、井筒穩定性分析、井壁結構設計的重要參數，是實現超深井筒科學設計開挖的必要前提條件。

4 井筒斷面結構設計

對于常規豎井斷面形狀選擇，主要考慮礦井服務年限、通風要求、地質條件和建設成本等因素；豎井斷面結構主要為矩形和圓形。早期淺埋豎井(深度小于600 m)斷面多采用矩形斷面井筒結構，充分考慮井筒布設方向，在井筒圍巖應力不大時，設計的矩形井筒斷面長軸方向垂直于礦體走向；當井筒圍巖水平應力較大時，其矩形井筒斷面結構長軸方向與最大水平主應力方向平行。隨著豎井開鑿深度的增加，井筒圍巖承受的自重應力、附加應力和最大水平應力進一步增加，在矩形井筒斷面拐角處產生高應力集中，誘致井筒圍巖產生破壞，矩形斷面設計逐漸被淘汰，代之采用圓形豎井斷面結構形式。

對于超深豎井而言，其井筒圍巖不僅受自重應力、附加應力的作用，同時在井筒深部，其井筒圍巖受水平地應力(原巖應力達到95 ～135 MPa)、重復荷載、爆破震動等疊加應力作用，導致井筒開挖后，其圍巖承受的疊加應力超過井筒圍巖強度時，致使井筒可能產生彈性變形、塑性破壞、甚至造成井筒圍巖失穩破壞、坍塌、甚至發生巖爆災害。由此可見，對于上述1 500～2 000 m超深豎井而言，其水平構造應力大，采用圓形井筒斷面結構形式不能夠滿足要求，可設計井筒斷面結構形式為橢圓型(圖1)，以滿足高應力作用下井筒圍巖穩定及其合理的斷面利用。通過對60 a來國際上豎井施工斷面形狀應用統計，圓形和橢圓形(或近似橢圓形)豎井斷面結構受力好，為目前國際上豎井設計的主要斷面選擇形式。

圖1 橢圓形或類橢圓形井筒斷面設計Fig.1 Elliptic structure design of shaft cross-section

對于超深豎井基巖段井壁壓力的計算：考慮到不同方向的水平地應力不同(即側壓系數λ不同)，以最大主應力方向為X軸，最小主應力方向為Y軸，對于井筒某一深度，通過該深度的最小主應力來確定最大塑性區范圍Rp。當井筒向下開鑿時，隨著側壓系數λ的增大，沿井壁應力分布越來越不均勻，當側壓系數達到一定數值時，井壁局部可能會出現拉應力集中區域。因此，對于井筒斷面形狀設計可以采用外壁為橢圓，內壁為圓的井壁結構來調整井壁上的應力分布，最大主應力方向加大井壁厚度，維護井壁結構的穩定性。

5 復雜應力環境下井壁支護結構設計

豎井掘進到一定深度后，應及時進行支護，以支承地壓、封堵涌水以及防止巖體風化破壞，當掘進分段較高，為保證施工安全，必須及時進行支護[27]。豎井井壁結構設計主要取決于豎井服務年限、所穿巖層地質條件、水文地質條件、地應力分布特征以及建設成本等。對于金屬礦山豎井井筒穩定性維護而言，主要考慮井筒圍巖穩固程度，在基巖段如果井筒穩定性非常完好，通常不采取任何支護手段；如果井筒圍巖穩定性差，將采取井筒加固技術控制井筒圍巖穩定。最早采用木井框支護，支護結構簡單，施工方便，但強度低，防火性差，僅用于中小型礦山[28]。20世紀50、60年代初，我國主要采用料石襯砌井壁，但由于其施工勞動強度大，效率低，漏水嚴重，目前很少使用。隨著錨桿噴射混凝土技術的問世及新奧法施工技術的發展，井筒采用噴射混凝土、錨噴支護及錨噴網支護技術維護井筒圍巖的穩定，具有技術先進、質量可靠、經濟合理及用途廣泛等一系列優點，被廣泛應用于豎井支護之中。據不完全統計，1995—2010年國內采用錨噴支護的井筒[29-30]共計73個，井筒深度最大達1 127 m，井筒凈直徑最大為10 m。

與傳統支護相比，錨噴支護可減小支護厚度1/3～1/2，減小巖石開挖量10%～15%，節省全部模板及40%以上的混凝土，加快施工速度2～4倍，節約勞動力40%以上，降低支護成本30%以上。此外由于錨噴支護不需要模板，因而大大改善了勞動條件，減輕了勞動強度，為支護施工機械化創造了有利條件[31-32]。20世紀60年代至今，現澆混凝土砌壁的支護方式已經發展為主要的井筒支護結構形式，目前國內使用此種支護方式的豎井已達95%以上。混凝土強度等級從C20發展到如今的C60，混凝土井壁襯砌厚度從400 mm增加到700 mm，從素混凝土井壁、纖維噴射混凝土發展為當前的雙層鋼筋混凝土井壁。新設計的井壁襯砌方案顯然提高了井壁支護強度，確保了井壁支護安全可靠，但新設計的井壁結構大大提高了井筒建設成本，嚴重影響了施工進度。近年來，為提高井筒襯砌效率，研發了適應井筒混合施工作業工藝，設計并有效地應用了高度3.5～5.0 m的強度大、立拆模速度快的金屬活動模板[33]，進行了混凝土上料、計量、攪拌、輸料等機械化裝備開發，使用了大流態、高強、速凝等多種性能混凝士，促進了我國豎井井筒的永久襯砌支護技術和工藝長足發展。

國外從20世紀50年代開展了解決采動和地表下沉對井壁的破壞作用的研究，德國于1958年由代爾曼哈尼公司在魯爾礦區的勝利號井，首次采用了柔性滑動井壁(AV井壁)，并經受了幾十年的采動考驗。20世紀80年代，我國采用這種技術為開灤東歡佗副井設計了這種井壁。波蘭布埃斯礦安德哲提6號礦井在20世紀80年代，采用了一種雙層滑動井壁，井壁結構形式為內、外壁混凝土結構，中間夾有一層瀝青材料滑動層可以大大減輕地層豎向變形的影響。D.L.Mckay[34]分析和評估了一種淺井的支護系統。M.J.Medd[35]描述了在淺井或者中深井硬巖礦山通過巖柱保護豎井的情況。I.I.Malunhire[36]主要研究了南非深豎井噴射混凝土襯砌的情況。M.Sh.Shtein[37]主要研究分析了礦山豎井底部的應力狀態。Zh.S.Akopyan[38]對礦山立井非對稱的破壞失穩過程進行初步的討論，得出了一些的研究成果。A.N.Guz[39]提出了豎井施工過程中的圍巖穩定性分析的基本原理。S.A.Konstantinova和S.A.Chemopazov[40]用數學模型模擬分析了深井支護加固過程中的壓力變化。

對于超深豎井開鑿過程，其井筒支護仍然采用傳統的支護設計結構，不能有效控制井筒圍巖的穩定，必須要充分考慮巖爆等誘發動力沖擊作用影響下井筒圍巖的穩定。目前，在我國超深豎井建設過程中，云南會澤鉛鋅礦三期豎井建設過程中，其鑿井深度 1 526 m，在其開鑿至1 400 m左右時，井筒出現巖爆災害、高承壓水災害，嚴重阻礙井筒施工速度以及井筒長期穩定；撫順紅透山銅礦深部七系統建設過程中，其開鑿盲豎井井底深度在1 600 m，在該盲豎井開挖至深1 400 m左右時，其井筒圍巖出現巖爆災害。由此可見，在超深豎井建設過程中，在井筒支護設計中存在著不夠明確的安全貯備系數，井壁支護強度過大，造成工程上的浪費，井壁支護結構過小，將影響井筒圍巖的長期穩定，影響井筒使用壽命。

對于巖爆傾向性巖體支護基本原則為：在開挖誘發作用下，產生巖爆災害，快速釋放能量沖擊井筒支護結構；在高速動力沖擊波作用下，其井筒支護結構亦能快速產生一定的形變，同時保持井筒支護結構不喪失支護強度，確保井筒支護結構的穩定。此種井筒支護結構既具有高支護強度，充分提高和發揮圍巖自身承載力，與支護結構共同形成互相協調、互相作用的支承系統；同時又能確保在巖爆等動力沖擊波作用下能夠快速釋放巖爆產生的動能，確保井筒支護結構的穩定。如果不進行釋能支護處理，在巖爆等動力沖擊荷載作用下，直接沖擊井筒襯砌結構上，將導致井筒襯砌結構失穩，致使圍巖與襯砌不能形成相互協調作用的支承體系。

到目前為止，沒有一套比較成熟的、可供設計和施工單位使用的計算理論與方法設計井壁厚度，仍以工程類比法或者適用于淺部井筒圍巖應力變形分析的理論和公式為主設計井壁結構參數，其設計的井壁結構和參數比較保守，主要表現為井壁結構強度高、壁厚大，結果仍然免不了出現井壁開裂、破損等事故。因此，通過在新建超深豎井井筒建立多維數據信息系統，對井筒圍巖體長期連續進行變形、應力等監測，充分掌握超深井筒圍巖體的應力變形規律，借此推導不同應力環境下，井筒圍巖-井壁結構相互作用機理以及井壁承受荷載的能力，為超深井筒井壁結構的合理設計提供基礎數據是十分關鍵的。

6 超深豎井施工技術

隨著豎井建設深度的增加，豎井開鑿的難度也將越來越大，安全事故發生的風險也在增加。超深井一次成井技術、超深豎井的提升、鑿巖技術、深孔爆破技術、裝巖技術、設備懸吊和井筒支護技術、綜合配套施工以及工作面高溫、巖爆高溫危害等問題將更加凸顯，對施工人員、設備的安全形成巨大威脅。

6.1 我國超深豎井建設存在的問題

隨著豎井建設深度的增加，豎井開鑿的難度也將越來越大，安全事故發生的風險也在增加。超深井一次成井技術、超深豎井的提升、鑿巖技術、深孔爆破技術、裝巖技術、設備懸吊和井筒支護技術、綜合配套施工以及工作面高溫、巖爆高溫危害等問題將更加凸顯，對施工人員、設備的安全形成巨大威脅。近年來，因施工工藝不當、地壓災害防治不力、安全保障措施不到位等因素導致的深豎井施工事故頻繁發生，主要表現在：

(1)鑿井提升效率降低，安全風險大大增加。常規千米級深豎井的提升安全保障技術已不完全適用于1 500～2 000 m超深豎井的施工，如何提高超深豎井建井提升效率，并保障提升安全是目前亟待解決的問題。

(2)井筒巖爆等地壓災害的威脅更加嚴峻，使得井壁的破壞概率提高。例如撫順紅透山銅礦豎井井筒施工至-1 135 m水平時，井筒圍巖產生巖爆災害；云南會澤鉛鋅礦在1 526 m深豎井施工時，其井筒施工至1 400 m左右中，井筒圍巖受水平構造應力影響，造成井筒圍巖產生巖爆災害，嚴重影響井筒的使用壽命，借此研究井筒地壓釋能支護技術是當務之急。

(3)豎井深部的高溫使作業面勞動條件惡化，嚴重威脅作業人員健康安全。諸如思山嶺鐵礦地質鉆孔勘查發現在井下1 503 m處其原巖溫度達40.1 ℃，紅透山銅礦井下溫度達到36 ℃，已大大超出人體能承受的范圍，深井建設過程的降溫技術研究亟待進行。

(4)豎井信息化施工技術發展嚴重滯后。我國豎井信息化施工技術還處于起步階段，關鍵技術仍待以解決。

(5)我國一次成井技術仍停留在傳統的掘支一次成井情況；國外深井建設一次成井包括掘、支、裝一次完成，在井筒施工中即應用永久井架進行施工，在豎井施工過程中，邊施工邊進行井筒裝備，保證豎井施工質量，亦解決豎井施工懸吊難題。

(6)非懸吊為主吊盤裝備研發迫在眉睫。目前我國豎井建設采用的三層吊盤，采用傳統的“九懸十八吊”方式，應用多種穩車控制吊盤、電纜、排水管、通風管、溜灰管等施工輕裝備的運行；研發非懸吊為主導軌式自驅技術，為超深豎井建設提供安全施工平臺尤為重要。

對于我國規模化深井建設而言，特別是對于 2 000 m超深豎井建設而言，需著重解決以下幾個核心理論和技術問題：①井筒斷面結構設計理論基礎；②綜合機械化快速鑿井技術；③高水平地應力、高承水壓力、開挖擾動等復雜應力環境下井壁結構設計理論基礎及控制方法；④深井建設過程中降溫技術；⑤罐道及罐道梁結構穩定性設計。

6.2 鑿巖爆破工作

目前對于金屬礦山豎井開鑿而言，國內外主要采用全斷面控制爆破技術開鑿，盡量減少對井壁圍巖的破壞。現有FJD系列傘形鉆架，配YGZ、YGA系列回轉鉆機或者HYD型液壓鑿巖機，炮孔鉆鑿深度范圍3.2～5.5m，鉆孔直徑為42、45 mm 2種。由于鑿井工作面狹窄、鑿巖噪聲大(125～130 dB)、霧氣大，施工環境惡劣，長時間在井下工作，工人出現耳鳴、頭暈，嚴重可能造成失聰等。

深孔爆破技術是井筒機械化混合掘砌施工的重要組成部分，采用爆破設計軟件設計爆破間排距、炮孔數目、掏槽形式、孔深、最小抵抗線等具體爆破技術參數，主要采用深孔微差爆破技術，減少爆破震動對井壁穩定性的影響。對于5 m深鉆孔其單循環進尺可以提高85%以上。

6.3 綜合機械化快速鑿井技術

豎井施工具有工序繁雜、工作面狹小、工作環境惡劣、安全風險大、通風阻力大等特點。實現豎井快速施工，首先要建設安全的工作平臺——吊盤。吊盤是豎井掘進、砌壁和井筒設備安裝過程中的重要施工設備，它既作為工作盤為工人提供作業平臺，又作為安裝盤為各種鑿井設備(如：臥泵、水箱、混凝土分灰器和中心回轉抓巖機等)提供安裝基礎。在立井施工過程中，經常需要升降井筒中的吊盤，這是通過四臺穩車共同收放其滾筒上的鋼絲繩來實現的。吊盤在升降過程中其盤面應保持水平狀態，因為：①井筒內空間狹小，井筒中除懸吊吊盤外，還鋪設各種管路，懸吊風筒、吊泵等設備，若吊盤運行中發生傾斜會導致吊盤與管路或懸吊的其他設備發生碰撞而造成設備損壞；②吊盤上有作業工人，若吊盤在升降過程中發生傾斜會危及工人人身安全，甚至導致工人墜入井底事故的發生；③吊盤在升降過程中若發生傾斜，易被井筒卡住，若穩車繼續運行，會拉斷鋼絲繩，造成重大安全事故。多層吊盤設計及澆筑混凝土井壁設計示意見圖2、圖3。

在建井技術方面，國外深豎井建設主要采用一次成井，即掘、砌、安一次成井。國外深井建設采用永久井架，多層吊盤作為工作平臺，其多層吊盤層數高達10層，吊盤高度最高達150 m高，其吊盤懸吊采用4個穩車；在吊盤的底部3層用于鑿巖、出渣、井壁襯砌，上部各層作為罐道及罐道梁井筒裝備；且其豎井施工過程中，充分利用深豎井建設多中段、多水平特點，在鑿井的同時，在上部開拓水平應用馬頭門進行上部中段開拓，大大縮短了礦山建設時間，同時確保深豎井的快速掘進、安裝建設。現場施工裝備示意見圖4。

圖2 鑿井用多層吊盤設計Fig.2 Multi-layer platform design for sinking shaft

圖3 多層吊盤澆筑混凝土井壁設計Fig.3 Multi-layer platform design for pouring concrete lining

圖4 豎井施工裝備Fig.4 Equipment of sinking shaft

目前，我國豎井建設，主要采用3層吊盤作為工作平臺，在吊盤的底部用于鑿巖、出渣、井壁襯砌，實現掘、砌、支一次成井技術，待豎井掘進到底部后，拆除吊盤，再進行永久井架、井筒裝備安裝。我國鑿井還是采取常規的“九懸十八吊”鑿井懸吊系統，對于深豎井開鑿而言，該懸吊系統復雜，很難滿足深豎井建設需求，同時，由于采取“九懸十八吊”鑿井懸吊系統，很難實現鑿井信息化管理。

由于新建礦山豎井斷面大，而目前國內鑿井吊盤仍為傳統的3層吊盤，其每層吊盤承載重量增加；在豎井開鑿過程中，如果吊盤結構設計不合理，吊盤重量變化將導致吊盤出現“跳盤”、左右扭轉等現象，給鑿井施工帶來難題；大斷面豎井建設吊盤懸吊系統復雜，其建井穩車高達16臺；吊盤作為鑿井工作平臺，鑿巖、爆破、裝巖、出渣、支護工作循環中，需要頻繁上下移動吊盤，由于懸吊系統復雜，致使各懸吊鋼絲繩受力不均勻，將出現個別應力高的鋼絲繩出現“爆股”現象，如若不及時處理，將嚴重影響建井施工的安全。現場吊裝吊盤圖片見圖5。

圖5 吊盤吊裝圖片Fig.5 Platform hoisting pictures

因此，研發一次成井鑿井系統—非懸吊分體式導軌自行吊盤裝備主要包括：大斷面下向深孔(5 m以上)控制爆破技術；大型液壓驅動中心回轉式抓巖機(1 m3)研發與應用；大噸位吊桶(6 m3以上)高速運行動態軌跡研究；研發集吊盤、傘鉆、抓巖機、模板智能化液壓中央控制系統；超深井快速施工配套技術及工序優化研究，實現超深豎井一次成井技術及鑿井信息化管理。

6.4 提升鋼絲繩

在整個提升系統中，最關鍵的是提升鋼絲繩的選擇。柔軟的鋼絲繩連接著整個復雜的工程系統,整個提升和懸吊系統主要參數都受提升鋼絲繩制約——鋼絲繩的自重和提升深度。鋼絲繩選擇主要考慮：鋼絲繩結構、質量要求、機械特性和公差。

當前，對于深豎井提升而言，有以下幾個問題需要解決：①如何提高深井提升效率；②鋼絲繩的承載能力限制豎井的提升能力；③高效能提升機的技術障礙(800～1 000 t/h)；④單位提升重量下能量消耗高，比理論計算值高2.2～2.4倍；⑤自動和手動循環運行模式的復雜性，動力荷載對施工和維修的承重構件，可靠性低；⑥對于安裝大的構筑物所要求的空間、復雜設計，基建工程和運行的復雜性和持續性，可靠度不高；⑦礦井機房和提升機房的難操縱性和復雜性。總而言之，采用鋼絲繩提升，從工程意義上講嚴重阻礙提升效率，因此，研發非鋼絲繩提升系統是未來發展方向。

7 結 論

系統總結了深井開采與超深井建設國內外發展現狀，針對國內外超深豎井建設存在的問題，提出相應的解決方案，得出以下結論：

(1)為有效提高井筒斷面利用率，提出(類)橢圓形井筒斷面形狀設計。

(2)針對超深井筒所處的復雜應力條件及其誘發的高巖爆風險區域，提出釋能井壁支護結構。

(3)系統介紹了多層吊盤施工特點，研發非懸吊式吊盤的必要性。

(4)針對鋼絲繩提升的限制，研發非鋼絲繩提升系統，解決超深豎井提升難題。

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