某鐵礦大直徑深豎井施工工藝優化研究

邸翔宇(鞍山五礦陳臺溝礦業有限公司,遼寧 鞍山114000)

1 前言

近些年,伴隨我國經濟的飛速發展,鋼鐵資源的需求逐漸增加,進口鐵礦石供給和價格受全球整體因素影響,制約著我國經濟的持續增長,國內地表淺層賦存鐵礦石優質資源逐漸減少,深部鐵礦石資源開發仍在摸索過程中,深部礦產資源的地質勘查工作變得非常重要。某鐵礦探礦井的實施,以摸清深部鐵礦石資源為宗旨,以后續國有資源的正常開發和利用為目的,確保國有企業可持續健康發展。但此次施工的探礦井東側為省級公路和露天采坑,北側為某大型鐵礦,西北側緊鄰某大型鐵礦選礦廠,西側緊鄰某地級市區邊緣。施工地點受周邊地勢和村落影響,西南側有油庫、農場和物流基地,周邊地貌限制因素多,可用于布置地表設施的場地極其有限。該探礦井屬于大直徑超深千米井,為了加快施工速度,配備了超深井機械化施工設備,根據施工單位的施工組織設計,在不受外部因素影響條件下,24 h 之內正常工序循環作業效率較高,但此次施工探礦井受地理位置約束,為嚴格按照國家環保要求開展施工,對施工流程進行科學調整,合理優化,確保工序銜接,達到提高施工效率的目的。

2 地質概況

2.1 工程地質

為科學合理調整工藝,有效提高工作效率和質量,根據區域地質資料以及地表鉆巖芯取樣情況,通過調研、分析,此次施工范圍內的基巖為太古代花崗巖,遼河群浪子山組千枚巖、石英巖,鞍山群櫻桃園巖組綠泥絹云千枚巖、石英片巖、磁鐵石英巖等。綠泥石英巖與綠泥石片巖構成礦體的直接頂、底板。各類巖石軟硬程度不一,巖石硬度系數為6～12。基巖之上大部分覆蓋有第四系砂礫卵石或殘坡積物。基巖均屬于堅硬的塊狀或厚層狀工程地質巖組,淺部巖石質量為極劣到劣,巖體完整性為破碎到差;深部巖石質量為中等到極好,巖體完整性為中等完整到完整,但巖組結構較復雜,各類結構面較發育,使深部相對完整的巖體中存在局部破碎,巖石質量劣的現象。

2.2 水文地質

為研究施工過程中的井壁涌水情況,確保本次工序優化安全有序開展,查閱了該區域內的水文地質資料,對周邊部分地下礦山進行了走訪、調研,掌握了該區域內水文地質基本情況,考慮礦床所處位置和地層、巖性分布情況及賦水特征,從實際應用出發,劃分為以下幾個含水巖組。

1)全新統沖洪積孔隙含水巖組

分布于礦床東北部小河兩岸地帶。主要由碎石及砂礫卵石構成,夾有不含水的黏土、砂質黏土及弱含水的黏質砂土,后者呈薄層與透鏡體存在。厚度變化范圍為10.80～43.48m。水化學類型多為硫酸重碳酸鈣鎂型,平均礦化度462.56mg/L,pH 值為6.37～7.46。地下水補給主要為大氣降水下滲補給與河流補給,垂向上對下部基巖風化裂隙水存在互補關系,徑流條件一般或較好,以人工開采和地下徑流形式排泄。

2)上更新統殘坡積孔隙含水巖組

分布于礦床西部山麓、微丘陵地帶,巖性為砂質黏土及少量砂礫、碎石透鏡體,其分布形態和埋藏深度條件都極其復雜,厚度變化范圍為1.0～10.8m,富水性弱。水化學類型多為硫酸重碳酸鈣鎂型,平均礦化度305.31mg/L,pH 值為6.40。地下水補給主要為大氣降水下滲補給,垂向上對下部基巖風化裂隙水存在互補關系,該類含水巖組與深部基巖裂隙含水巖組之間聯系微弱。徑流條件一般,以人工開采或地下徑流形式排泄。

3)隔水巖組

地下水動態規律與區域上一致,即第四系地下水水位波動幅度較大,約1～4m,枯豐滯后期1～2月;基巖地下水水位波幅一般小于1m,滯后期為2～3月。二者在水質上變化不大。依礦區水文地質條件,綜合地形地貌、地表水體發育程度和各含水巖組富水性以及地下水補徑排,考慮礦床上部雖然有小河經過,但其下部存在厚度約860m 的遼河群千枚巖相對隔水層使其對礦體的影響較小,認為礦床水文地質條件屬簡單類型。

2.3 環境地質條件

礦區地貌屬丘陵山地地形,區內地表水體較發育,主要為位于礦區西部及中部沙河上游的兩條支流,流向均由南向北,在周邊某村落北側匯合,常年流水,均呈現季節性變化。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015),該區地震烈度為7 度,峰值加速度為0.1g,反應譜特征周期為0.35s,是地震活動較高地區。探礦區域內環境地質條件屬中等類型。

3 施工工藝

該探礦井屬大直徑深豎井施工,凈直徑8m,深1 000 余m,結合上述前期地表探礦鉆孔掌握的工程地質情況,經科學謀劃,施工方案比較,采用的是短段掘砌混合作業方式。

掘進設備采用YSJZ4.8 型液壓傘鉆,同時配置四臺HYD200 液壓鑿巖機鉆眼,液壓鑿巖機配LG32mm 中空六角長5 525mm 成品釬桿和ZQ45-R32 柱齒合金鉆頭,結合以往施工經驗,每炮掘進進尺4.5m 左右[1]。出渣過程,采用中心回轉HZ-6抓巖機抓巖,座鉤式自動翻矸,地表由20t 自卸汽車排矸至指定地點。支護采用商品砼,根據設計,部分配置鋼筋,提升采用主、副兩套系統,提升3m3底卸式吊桶同時下放混凝土到吊盤上,經受料漏斗和澆筑膠管溜入φ8.0m、段高4.5m 的整體移動金屬模板,機械化振搗,“一掘一支”支護方式,一次成井4.5m。

4 原施工方案

由于受地理位置約束,距離周邊村落較近,依據相關部門要求,為減少施工引起的噪聲對周邊村民的影響,確保社會穩定和施工的安全有序開展,保障工作效率,滿足《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB 12348—2008)及國家相關法規,合法合規開展施工作業。

前期,從工藝工序入手,根據施工組織設計,分別對打眼、平底、支模澆筑、出渣各工序進行現場監督,加大緊湊工序銜接的研究、分析,通過對各工序時間的跟蹤、核定,掌握了各工序運行的基本狀態,通過內部開展技術討論和溝通。在實際施工中,一次掘支成井高度4.5m 已不能達到施工正常有序開展的目標。一方面,井筒掘支時間平均為38h,為避開夜間作業施工引起噪聲,存在夜間施工出渣、爆破噪音污染的問題;另一方面,長時間夜間工序調整,等待累計較長,成本較高,施工效率較低,工期較設計有所滯后[2]。優化前工序見表1。

表1 優化前工序基本運行統計表

表1為施工工藝優化前某時間段統計表格,由該表格可以看出,嚴格按照施工組織設計開展施工工作,以整體模板4.5m 為爆破掘進進尺參數標準,完成8 次整體模板成井工序循環時間為323h,其中調整時間約為21h,調整時間占工序循環時間6.50%,結合施工開展情況,綜合考慮設備檢修、維護,按照月平均25日進行計算,不考慮客觀因素影響,月進度進尺預計約為66m,循環時間受調整工序時間因素制約,嚴重影響了整體施工的有序開展,導致施工效率降低,生產成本得不到有效控制。

5 優化施工方案

經過長達半個月的探索和嘗試,在保證安全、質量的情況下,結合作業施工內容,合理安排掘支工序,通過調整一次成井段高,掘進放炮不高于4.5m,掌握工序推進時間,根據巖性的變化情況和水文變化情況,科學調整炸藥使用量,降低施工工序循環時間,將每炮掘進控制在3.5～4.5m。同時,優化實施過程中,一方面,積極做好井筒內施工通風、降塵等基礎安全防范措施;另一方面,根據豎井施工中揭露的圍巖狀況,做好設備正常檢修、井筒內冒頂片幫防范、超前探水等工作,積極開展“短掘短支”工作,確保作業場所的安全,通過工藝工序的優化研究,認真分析施工組織設計,綜合考慮工期、安全、經濟和現場施工等諸多因素,科學謀劃,合理調整工序作業時間,工序調整后效果顯著,具體數據見表2。

表2 豎井施工掘支工序統計表

從表2可以看出,合理調整爆跟蹤放炮進尺數據,及時調整爆破參數,效果顯著,完成6 次整體模板成井工序循環時間為196h,第7 次掘進可增加一次4.5m 成井,按照平均月份25日進行計算,不考慮客觀因素影響,月進度進尺預計約為76.5m,綜合分析,雖然施工過程中火工品單耗有所上升,但從施工組織整體角度,施工成本總體降低,施工進尺也得到了有效的提高,保障了作業效率。

6 結論

受工程項目客觀因素影響,為滿足生產安全穩步運行,必要時需對施工組織進行優化,使施工技術方案進行有效地謀劃和比選,從而保證工程質量、工期要求以及建設方使用要求前提下,增加企業收益,降低成本。由此看出,作為施工組織的核心內容工序優化顯得尤為重要。