寒冷條件礦山豎井施工技術及工程實踐

劉溫泉

摘要：為克服低溫環境對豎井施工的影響，克茲爾-塔什特克鉛鋅多金屬礦從井架保暖、混凝土施工工藝等方面展開了研究和試驗工作。采用與井架結構、井筒工程相適應的井架封閉式保暖、燃煤供暖、砂石料保暖、混凝土輸送等方法，借助Ⅳ型鑿井鋼井架、單鉤提升、中心回轉式抓巖機、金屬滑模等施工設施及裝備，在人工掘進與機械化設備配合下，最大化減少了寒冷氣候對井筒安全、質量、進度的威脅;有效提高了主提升絞車、穩車、天輪等重要設備設施完好率，使完好率達到95 %以上;解決了作業環境溫度低造成混凝土強度達不到設計要求的問題，使得井筒混凝土強度達到設計的92 %;如期保質保量地完成了凈直徑為5.5 m、井深404 m的中央風井施工，為礦山順利完成“露天轉地下”奠定了基礎。

關鍵詞：寒冷氣候;露天轉地下;保暖措施;豎井;掘砌;馬頭門

中圖分類號：TD262文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）10-0046-05doi：10.11792/hj20201009

引 言

克茲爾-塔什特克鉛鋅多金屬礦地處俄羅斯圖瓦共和國中部，11月上旬即進入冬季，持續將近7個月，冬季平均氣溫-28.2 ℃～-32.2 ℃，極寒冷時氣溫會達到-57 ℃，對豎井施工造成極大影響。礦山自然環境惡劣，氣候寒冷、施工黃金期短。該礦山為露天開采礦山，但是隨著淺表資源的開采，可露采的資源越來越匱乏，因此深部礦體采用地下開采。由于露天采坑可采礦量不足，露采與地采銜接時間緊迫等現實難題，從礦山可持續性發展的角度出發，保證中央風井如期完工是礦山“露天轉地下”的首要任務。

因此，中央風井作為“露天轉地下”的關鍵性豎井工程，任務重，時間緊，無可避免的要在極寒時間段內完成豎井掘砌工程。為克服低溫環境對施工的影響，從井架保暖、混凝土施工工藝等方面展開了研究和試驗工作，總結摸索出一套低溫條件下的豎井施工方案，保證寒冷條件下工程的連續正常施工。

1 工程概況

克茲爾-塔什特克鉛鋅多金屬礦床屬賦存于輝綠巖-鈉長斑巖火山巖中的黃鐵礦-多金屬塊狀硫化物礦床，礦床上部為多金屬型、銅鋅型和黃鐵礦型礦體，礦石為致密塊狀，與圍巖界線清晰。礦體厚15～70 m，走向為北西向至近東西向，并向南部和西南部呈50°～60°傾斜，礦石堅硬、穩固性好。礦體上下盤圍巖主要為弱礦化的蝕變次火山巖、凝灰巖等。

克茲爾-塔什特克鉛鋅多金屬礦中央風井由俄羅斯烏拉爾設計公司設計，中央風井為地采專用進風豎井，兼作人員應急出口、消防水供應、井下排水使用。井筒凈直徑5.5 m，井口相對標高0 m，井底相對標高-404 m，井深404 m，在-100 m、-200 m、-300 m、-400 m中段各設置1個單向馬頭門，在-20.3 m、-87.6 m、-187.6 m、-281.6 m、-380.5 m各設有1個壁座，在-390 m設有管道井。

井筒內布置1根直徑250 mm溜灰管、1根直徑159 mm供水管、1根直徑108 mm供壓風管和1根直徑108 mm排水管，并敷設電纜。

2 豎井施工方案及實施

2.1 保暖方案

為克服低溫環境下對施工的影響，分別對井架、提升絞車房、穩車群等地表臨時建筑采用水暖保溫措施，采用封閉式攪拌棚儲存混凝土施工原材料，利用必要的砂石料加熱措施保證施工質量。

2.1.1 井架保暖

井頸段掘進在2018年7月完成，井筒基巖段掘進從9月開始，正值當地氣溫逐步下降時期，為應對長達7個月的寒冷天氣，使用彩鋼板及鋼支架對除天輪梁位置之外的區域進行全封閉，井架內設置煤爐，保證井架內部的溫度。井架保暖彩鋼板支架布置見圖1。

2.1.2 混凝土材料、輸送、養護采暖保溫

為保證澆筑質量，存放砂石料及水泥等材料要合理，同時妥善保證砂石料溫度，確保入模溫度在5 ℃以上，在井架旁搭建封閉式攪拌暖棚，暖棚內安裝有水暖管道，使用礦山熱水鍋爐供熱，棚內溫度為3 ℃～5 ℃，滿足材料使用要求。

2020年第10期/第41卷采礦工程采礦工程黃 金

在豎井井口旁設置有水箱，安裝1臺JS750型攪拌機[1]，砂石料放至在由鋼板鋪設的加熱平臺上，鋼板下方通過燃煤燃燒加熱，另外水箱內放置大功率加熱棒以保證水溫。下料時先加砂石，然后添加熱水攪拌，再添加水泥，如此循環，以保證混凝土入模溫度與強度。為確保混凝土養護溫度，井口安裝1臺熱風機與通風機相連，為井下工作面供應熱風，風筒出口溫度為8 ℃～10 ℃的恒溫，減少外界氣候對混凝土的影響。

2.2 鑿井設備及井筒平面布置

中央風井施工采用Ⅳ型鑿井鋼井架，主提升機采用JK2.5×2.3型主提升機，3臺雙滾筒穩車，10臺單滾筒穩車，1套單鉤3 m3座鉤式吊桶提升，雙層吊盤，配1臺HZ-6型中心回轉式抓巖機，使用高3.85 m、直徑5.5 m液壓整體移動金屬模板，配合人工YT-28型鑿巖機鑿巖。豎井井筒平面布置及主要設備配備和鋼絲繩懸掛點見圖2。井筒主要鑿井設備見表1。

2.3 井筒及馬頭門掘砌施工

2.3.1 井 筒

1）爆破。井筒掘進采用YT-28型鑿巖機，配長3.5 m、直徑22 mm的六角鋼釬桿。工作面采用不等深鍋底形布置，楔形掏槽，共6圈炮孔。炮孔采用直徑32 mm防水硝銨炸藥，使用非電毫秒導爆管雷管起爆。施工時，根據現場圍巖變化情況，隨時調整爆破參數，以取得較好的爆破效果。炮孔布置見圖3，爆破參數見表2，預期爆破效果見表3。

2）裝巖及出渣。采用1臺HZ-6型中心回轉式抓巖機裝巖，配合3 m3吊桶提升至地表后，經井架二層翻巖平臺上的座鉤式自動翻巖裝置卸入溜槽，暫存在溜槽下方的存渣倉后，定期由鏟車排至風井工業場地專用廢石場。

3）支護。液壓整體模板高度為3.85 m，掘砌單行作業“兩排一支”，第二排炮留渣并找平，脫模下放至平整渣堆上，靠液壓油缸外伸，模板撐到設計尺寸后，找平找正固定牢靠，然后進行混凝土澆筑。

攪拌暖棚內的攪拌機出口設計有溜槽，溜槽下方采用煤爐加熱，減少混凝土運輸過程中的熱量流失。溜槽與溜灰管相接（可直接伸向底卸式吊桶上），溜灰管往井下延伸，管的另一端連接“漏斗型”活動套管，并由人工放至在滑模各澆筑口。

根據井筒結構、巖性的不同，采用不同的支護形式。井筒基巖段采用厚300 mm素混凝土支護，混凝土強度為C25;壁座段與馬頭門采用雙層鋼筋混凝土支護，混凝土強度為C35;對于井筒基巖較破碎地段，采用錨網臨時支護后，再用素混凝土支護;對于壁座部分較破碎地段采用錨網支護后，再用雙層鋼筋混凝土支護。

2.3.2 馬頭門

井筒設計有4個單側馬頭門，分別位于-100 m、-200 m、-300 m、-400 m中段。馬頭門內設計有卸壓箱硐室、消防器材料庫。

1）施工工藝。考慮到馬頭門規格較大及使用整體模板的情況，馬頭門施工與井筒分步施工，依次從下往上澆筑的方法。即將馬頭門分為2個分層，每個分層高度3.2 m，井筒掘進始終超前于馬頭門各分層，由上往下分層掘進到達馬頭門底板后，再由下往上進行馬頭門及井筒永久支護施工。

馬頭門的斜拱段最大設計高度為6.3 m。井筒掘進至馬頭門斜拱段上方1～2 m時，停止掘進，將上段井壁（含壁座）澆筑完成[2]。先下掘井筒至馬頭門第一分層底板標高，爆破后井筒暫停施工，排出部分渣石并預留第一分層掘進空間。井筒始終超前分層的高度，各分層掘進長度控制在3.5 m，待第二分層到位后，上下分層分2次爆破。先對下分層進行爆破，為上一分層創造爆破自由面，上一分層再壓頂爆破，最后馬頭門及井筒的部分留巖全部出完。

每個中段馬頭門段空頂高度不同，為6～8 m，采用錨網臨時支護。待馬頭門全長掘進完成后，按設計綁扎完馬頭門及井筒的鋼筋，將整體滑模下放至馬頭門底板，開始由下往上逐層整體澆筑馬頭門梁窩、墻、底板和井壁，直到澆筑至馬頭門拱頂，最后將整體滑模提升至上段井壁混凝土澆筑完成位置，完成剩余井壁澆筑。

2）爆破。馬頭門掘進采用YT-28型鑿巖機配長3.5 m、直徑22 mm、鉆釬直徑40 mm梅花型鉆頭鉆孔。掘進采用壓頂爆破的方法，各分層鉆孔均在井筒留渣上完成。炮孔深度3.5 m，要求控制周邊孔角度，防止超挖。炸藥選用直徑32 mm、長40 cm的俄羅斯專用乳化炸藥，通過豎井放炮電纜在井口使用起爆器起爆。

3）裝巖及出渣。分層掘進馬頭門斜拱段全高時，由于掘進長度小，采用人工將渣石耙至井筒位置，再由抓巖機通過3 m3吊桶提升至地表排出。馬頭門向前掘進后，為加快出渣速度，將耙巖機放至在馬頭門對面一側井筒位置，用耙斗將馬頭門工作面內的渣石耙至井筒內，抓巖機將渣石裝至吊桶，利用豎井排渣裝置將其排出。

4）臨時支護。在掘進馬頭門過程中，由于整體滑模在馬頭門全長掘進前無法下放，空頂暴露高度大，采用錨網臨時支護。錨桿選用長1.8 m、內徑32 mm管縫式錨桿，錨網采用直徑6 mm鋼筋網，網度100 mm×100 mm。

5）混凝土支護。馬頭門設計為C25鋼筋混凝土支護，支護厚度300 mm，橫向鋼筋直徑12 mm，間距250 mm，豎向鋼筋直徑16 mm，間距250 mm，拉筋直徑8 mm，間距250 mm，鋼筋內外保護層均為50 mm[3]。整體滑模下放至井筒與馬頭門同標高底板，與馬頭門斜拱直線段兩側模板對接固定后，井筒與馬頭門同時澆筑。

2.4 主要輔助系統

1）排水。采用多級接力排水方案。排水管為直徑108 mm無縫鋼管。每個馬頭門上方均設置一圈截水槽，在吊盤和-100 m、-200 m、-300 m中段上各設置1個9 m3水箱。

2）通風。采用壓入式通風，風機功率2×30 kW，選用直徑500 mm雙耳式帆布風筒。

3）供電。10 kV雙回路電源，引自井口工業場地變電站。通往井口分3條電路，分別供往主提升機房、1#與2#穩車群、井下。通向井下吊盤有1根50 mm2的動力電纜，通往-100 m、-200 m中段臨時轉水站各有2條動力電纜。

4）通訊、監控及信號。主提升機房與井口信號房使用36 V電壓等級的信號裝置2套，提升信號裝置具有信號、通訊傳輸功能。在井筒內敷設1.5 mm27芯光纜，以滿足提升機房及井口信號房提升信號的傳輸需求。視頻信號為專用光纜，監控區域為主提升機房操作室、井口信號房操作室、井蓋門、翻渣平臺等。

2.5 勞動組織

井筒基巖段“兩掘一支”，每循環進尺為2.2 m。金屬滑模高度為3.85 m，每模成井3.85 m。采用“滾班制”作業方式，由于爆破作業為外包形式，豎井作業共分3個班組，即鑿巖班、出渣班和支護班。出渣班第二排炮后需要完成2次出渣任務。

2.6 工程實踐

豎井地處俄羅斯圖瓦極寒地帶，從2018年9月開工至2019年6月完工，總工期為9個月。井筒施工進度與基巖段巖性、井筒深度、馬頭門、氣候變化有關。礦山對地表大型臨時設施采用適宜的供暖措施，采取與井架結構、井筒工程相適應的井架封閉式保暖、燃煤供暖、砂石料保暖、混凝土輸送方法，最大化減少寒冷氣候對井筒安全、質量、進度的威脅，有效提高主提升絞車、穩車、天輪等重要設備設施完好率，解決作業環境溫度低造成混凝土強度達不到設計要求的問題。同時，借助Ⅳ型鑿井鋼井架、單鉤提升、中心回轉式抓巖機、金屬滑模等施工設施及裝備，在人工掘進與機械化設備配合下，克服近7個月寒冷天氣的不利施工條件影響，使提升機、穩車運行完好率在95 %以上，井筒混凝土強度達到設計的92 %，如期保質保量完成凈直徑為5.5 m，井深404 m的中央風井施工，正常月進尺55 m，每個中段單側馬頭門掘砌為12 d/個，含與馬頭門連接平巷13 m，為礦山順利完成“露天轉地下”奠定了基礎。

豎井井筒混凝土強度符合當地技術監督局檢測要求，于2019年年底順利完成二期井筒裝備安裝工程，含梯子間、供水、排水、動力、通訊、供電電纜及電梯安裝工作，并正常投產使用。

3 結 語

中央風井作為礦山“露天轉地下”的“咽喉”豎井工程，是整個礦井開拓工程的基石，在礦山生產中擁有特殊且重要的地位和作用。中央風井的完工，除積累了在寒冷天氣下豎井施工的經驗以外，對類似環境下的豎井施工具有較好的借鑒意義。

1）施工期短，積極搶占施工黃金期。中央風井從2018年9月22日開工，至2019年6月15日完成，實際工期為9個月。

2）針對礦區所處環境的氣候特點，井架外采用保暖彩鋼板防風防雪，井架內對水泥、水、砂石料分類加熱、保暖，克服低溫環境對施工質量的影響，保證工程連續正常施工，實現了在井架、混凝土原材料保暖，混凝土輸送措施與質量保障方面的突破。

3）根據井筒不同地段、不同巖層狀況，采用單、雙層鋼筋混凝土支護，在各中段馬頭門位置采用錨網輔助支護，確保了工程質量和施工安全。

[參 考 文 獻]

[1] 黃東超.極寒環境下立井混凝土施工技術研究[J].能源技術與管理，2019，44（1）：160-162.

[2] 臧潤成.豎井馬頭門掘進與支護工藝[J].現代礦業，2015（12）：152-153.

[3] 孫國飛，宋宏元.豎井井頸鋼筋混凝土施工技術[J].黃金，2016，37（12）：44-47.

Vertical shaft construction technology in mines

in cold circumstances and its engineering practice

Liu Wenquan

（Heilongjiang Zijin Longxing Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：In order to overcome the effect of lowtemperature environment on vertical shaft construction，Kyzyl-Tash Turk Pb-Zn Polymetallic Mine carried out study and experiment on warmth keeping of headframe and the concrete construction.With the help of construction facilities and equipment such as Ⅳ drilling steel headframe，singlehook hoist，centre rotary mucker and metal slip form，and the cooperation of manual excavation and mechanized equipment，measures that go with headframe structure and shaft engineering such as closed warmth keeping，coal heat supply，warmthkeeping sand material and concrete convey minimize the threat of cold weathers to shaft security，quality and progress，effectively improve the intactness rate of important equipment and facilities like main hoisting winch，winch and hoisting sheave to over 95 %，and solve the problem that the concrete strength is lower than that required by design due to low temperature operation environment，making the concrete strength of the shaft reach 92 % of the design.The central air shaft with net diameter 5.5 m and 404 m depth is constructed conforming to the schedule and required quality，laying foundations for successful transition of open pit to underground.

Keywords：cold weather;open pit to underground;warmthkeeping measure;vertical shaft;digging and bricking;ingate