大尹格莊金礦采場溜井破壞原因分析及修復研究

李 江

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大尹格莊金礦采場溜井破壞原因分析及修復研究

李 江

(招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦，山東 招遠市 265414)

針對大尹格莊金礦采場溜井的垮塌破壞情況，進行了調查分析；根據巷道及溜井位置建立計算模型，對采場溜井破壞情況進行數值分析，分析溜井圍巖的最大位移、塑性區、應力特征和破壞程度，研究了大尹格莊金礦6901采場溜井的破壞機理。總結出圍巖穩定性、沖擊摩擦和爆破震動是造成溜井破壞的主要原因。根據現場具體情況和數值模擬結果，確定溜井改造修復方案，采取了對垮塌井筒封閉處理，施工一斜溜道與原先溜井貫通，同時對斜溜道井壁進行混凝土和錳鋼板支護加固。5年多的使用實踐證明，工程應用效果良好。

采場溜井；溜井垮塌；數值模擬；溜井改造

0 概 述

招金礦業股份有限大尹格金礦是國家“七五”期間建設的5座大型黃金礦山之一，是典型的“深、大、貧、難”型礦床，具有礦體埋藏深、礦石儲量大、含金品位低和礦體形態變化復雜難采的綜合特點。

大尹格莊金礦?290 m水平的6901溜礦井，是該礦一個重要的采場溜井。此溜礦井主溜井長為219 m，支溜井長度為42 m，總長度261 m，13個開口，服務4個中段，7個工作采場，日均出礦量1000~1500 t。經過近10年大流量、高負荷的卸礦沖擊，溜井放礦口上方井壁產生嚴重磨損，并發生破壞垮塌，嚴重制約?290 m水平上部采場的生產。因此，調查分析6901采場溜井的圍巖穩定性、使用現狀及破壞原因，研究該溜井的優化改造方案及溜井加強支護措施，對保證上部采場的正常生產經營具有十分重要的意義。

1 溜井垮塌原因分析

針對6901溜井的破壞原因，對溜井的圍巖穩定性和使用現狀進行了調查分析，該溜井破壞主要原因概括有以下幾點：

(1) 圍巖穩固性較差。圍巖穩固性是影響溜井穩定的主要因素和造成溜井垮塌的內在原因，完整而強度高的圍巖對溜井的使用壽命有很重大影響[1?4]。6901溜井圍巖屬于構造蝕變巖穩固帶，完整性較好，巖體質量中等。但由于?290 m水平井筒位置節理裂隙較發育，同時溜井與?290 m水平運輸巷道相交叉，導致應力集中，圍巖松動圈也會相互交叉，造成井壁承載能力降低，使得整體巖體處于不穩定狀態。

(2) 沖擊摩擦。文獻[5?6]分析研究了卸載礦石產生的沖擊力和摩擦力對溜井破壞的影響，認為沖擊摩擦對溜井的穩定性具有很大的影響?，F場調查發現，6901溜井當初設計未進行支護，并且放礦口處的礦石沖擊作用點沒有重點支護。當卸載礦石產生的沖擊力和摩擦力作用于穩定性較差的井壁時，造成溜井擴大，當擴大到一定程度時，溜井井壁失穩，出現片幫垮塌現象。

(3) 爆破震動。由于上部采場礦石塊度大，二次爆破大塊不積極，且溜井格柵利用不當，使得大塊度礦石鏟運至6901溜井中，造成?290 m水平溜井漏斗口處經常堵塞，平均每天6~7次用炸藥處理溜井堵塞，因此溜井放礦口處遭到爆破作用的強烈沖擊，使溜井在漏斗口處塌方嚴重(見圖1)。

圖1 6901溜井破壞現場

2 數值模擬結果及分析

針對6901溜井的破壞進行了數值模擬分析，建立簡化模型，采用彈塑性本構關系，屈服準則為Mohr-Coulomb準則，現場調查的巖體力學參數如表1。不考慮礦石磨損沖擊與爆破震動對溜井的影響，分析在靜力條件下溜井圍巖的應力狀態、位移變形和圍巖破壞程度。

表1 計算模型巖體力學參數

(1) 圍巖變形分析。由圖2可知，6901溜井井壁圍巖變形不明顯，圍巖處于穩定狀態，而在溜井放礦漏斗口上方圍巖變形較大，最大位移為1.40 mm。由此可見，隨著溜井的長時間使用，產生沖擊摩擦和爆破震動，會使此處圍巖的變形逐漸增大，易發生冒落。

(2) 圍巖破壞程度分析。由圖3可發現巷道和井筒幫壁塑性破壞明顯，尤其漏斗上方井筒15 m內圍巖破壞貫通。運用文獻[7]定義的破壞接近度對6901溜井圍巖進行評價，基本為開挖擾動區，底板及拱肩圍巖局部處于開挖損傷區，總體圍巖穩定性良好；而溜井放礦口上方10 m范圍內的井壁圍巖則為開挖損傷區及破壞區，圍巖破壞程度由內向外逐漸減弱。

圖2 6901溜井的圍巖變形云圖

圖3 6901溜井的圍巖穩定性云圖

(3) 圍巖應力分析。由圖4和圖5可知，施工溜井后，應力將重新分布，溜井井壁整體上未出現應力集中區域，僅巷道底角處局部出現應力集中，約2.3 MPa。圖4表明，溜井井壁圍巖易產生拉應力，因承受較大拉應力易導致片幫破壞，需要對漏斗上方井壁圍巖進行加固支護。

圖4 6901溜井的圍巖最小主應力云圖

圖5 6901溜井的圍巖最大主應力云圖

通過數值模擬結果，6901溜井漏斗上方圍巖穩定性較差，這與現場調查結果相吻合。調查發現：溜井漏斗上方15 m范圍內的井壁是卸載礦石沖擊摩擦最頻繁的位置，加之此段溜井經常因處理溜井堵塞而產生強烈爆破震動，進一步加大井壁圍巖損傷區域。當卸載礦石產生的沖擊力和摩擦力作用于圍巖破壞接近度FAI＞1的井壁時，使得未有保護措施的溜井井壁喪失穩定，出現片幫垮塌。

3 溜井改造措施

3.1 溜井改造方案

為了采場的出礦要求，需要對6901溜井進行修復，經初步計算如果重新施工一個采場集中溜井，需要施工30 m平巷，上返220 m天井，工期需要55 d左右，工程費用大約為25.4萬元，嚴重影響正常生產。因此，需要對原有溜井進行重新優化支護改造并加固支護，以便快速解決上部采場出礦問題。經現場分析調查研究，初步確定兩種溜井修復方案：

方案一，不施工其它工程，直接對原先損壞的井壁進行修復改造。

方案二，在溜井漏斗周圍重新施工一條斜溜道，與原先溜礦井貫通，對破損區域進行灌漿封閉。

因原先溜井已使用年限較長，溜井底部經礦石沖擊后，井壁空間較大且松動破碎，若對原先井壁直接加固修復，需要對垮塌空間及破碎圍巖注漿加固，所需充填料較多；并且由于澆灌井壁與圍巖硬度不均勻，當井壁受到礦石的沖擊時，更容易發生破壞，修復后的使用壽命難以保證。綜合以上分析，選用方案二(見圖6)。

圖6 6901溜井改造方案

3.2 溜井的修復工藝及效果

為了保證溜井修復期間的作業安全，首先將上部的卸礦口進行臨時封閉。使用工字鋼、錨桿、木材等對原先漏斗口位置進行永久封閉，然后將破損空間使用廢石充填。在距原漏斗口附近施工一個斜溜道與原溜井貫通，要求斜溜道開口位置圍巖穩固，節理裂隙不發育。由圖3知，溜井圍巖松動圈約0.8 m，避免斜溜道開口與原先漏斗口產生交叉松動圈，因此與原先漏斗口間隔5 m的位置施工傾角55°的17 m斜溜道。

與溜井貫通后，對斜溜道進行加強支護，選擇抗沖擊和耐磨性能好的支護材料。工程實踐表明錳鋼板與混凝土作為加固體支護井壁，具有較高的抗沖擊性和抗磨擦性，能直接承受礦塊的沖擊與磨擦[8]。因此，利用錳鋼板與混凝土加固斜溜道井壁，并且在貫通處設置緩沖層，減弱卸載礦石沖擊封閉區域的影響，而后重新架設放礦漏斗。

改造后的礦石溜井經過30個月的使用，運行狀況良好，使得上部4個中段的礦石溜放運輸順利進行，是一次成功的溜井修復工程。

4 結 論

(1) 對6901溜井的垮塌現象進行了現場調查與數值模擬分析，開挖后的溜井未進行支護加固措施，數值模擬結果顯示漏斗口上方井壁圍巖處于開挖損傷區及破壞區，穩定性較差，在卸載礦石的沖擊磨損和爆破震動長時間的共同影響下，井壁圍巖片幫、塌落，造成溜井垮冒。

(2) 現場分析調查研究了溜井的修復改造方案，對垮塌井筒進行封閉處理，確定另施工一斜溜道與原先溜井貫通，并對斜溜道井壁采用混凝土和錳鋼板支護加固，使井壁支護層與圍巖形成共同承載體。

(3) 加強對采場溜井的使用管理，采場大塊礦石需要二次爆破破碎方可卸載到有格柵裝置的溜井內。同時，經常對溜井井壁進行檢查，發現破壞，及時進行維護。

[1] 明世祥.地下金屬礦山主溜井變形破壞機理分析[J].金屬礦山, 2004(1):5?8.

[2] 季 翱,宋衛東,杜翠鳳,等.采區溜井嚴重垮冒原因分析及加固方案研究[J].金屬礦山,2007(2):26?28.

[3] 宋衛東,匡忠祥.采場溜井加固工程圍巖穩定性數值計算分析[J].金屬礦山,2001(6):23?26.

[4] 陳得信,王克宏,王興國,等.盤區脈外溜井破壞原因分析及井筒維護[J].有色金屬(礦山部分),2009,61(3):15?18.

[5] 宋衛東,王洪永,王 欣,等.采區溜井卸礦沖擊載荷作用的理論分析與驗證[J].巖土力學,2011,32(2):326?332.

[6] 李世廣.礦山溜井磨損因素分析及加固措施[J].礦業工程,2012, 10(1):64?65.

[7] 張傳慶,周 輝,馮夏庭.基于破壞接近度的巖土工程穩定性評價[J].巖土力學,2007,28(5).

[8] 路增祥.主溜井及礦倉的復合加固工藝[J].金屬礦山,2006(2): 26?29.

(2018-07-18)

李 江(1980—)，男，山東招遠人，工程師，主要從事黃金礦山采礦技術及管理工作。