石碌鐵礦2#主溜井大面積垮幫的修復

范慶霞 孫紅專

（1.海南礦業股份有限公司；2.湖南楚湘建設工程集團有限公司）

石碌鐵礦是一個露天開采轉地下開采的礦山，設計采選綜合生產能力為480萬t/a，由2條主井擔負礦巖提升的任務，其中，2#主井擔負2#主溜井下放礦石的提升任務，設計提升能力380萬t/a。主溜井下放礦石、主井提升礦石是地下礦山生產的瓶頸，主溜井下放礦石順暢與否直接影響主井提升能力，其主要影響因素為主溜井完好率、主溜井直徑及粗糙度、主溜井放礦口尺寸、礦石塊度組成、礦石含水率等。當主溜井出現垮幫現象時，將會造成主溜井堵塞或放礦不暢，通常要求主溜井應選擇在巖石堅固且無破碎構造的區域。如果前期地質工作不充分，在主溜井施工過程中發現有巖石軟弱或破碎構造時，應采取可靠的加固措施避免下放礦石對主溜井沖擊和磨損。礦山2#主溜井自2017年7月15日投入運行，至2019年6月3日累計提升礦石186萬t，在使用過程中出現了大范圍垮塌現象，造成-420 m放礦口頻繁卡堵大塊巖石，嚴重影響礦山的正常生產，因此礦山決定停產修復主溜井。

1 石碌鐵礦主溜井現狀

1.1 主溜井施工現狀及使用情況

2#主溜井井口標高為-120 m、井底標高為-360 m、井筒凈直徑為4.5 m，因2#主溜井所處區域有破碎斷裂構造通過，節理裂隙發育，巖石較為破碎，在施工階段對井筒進行了加固處理，其中，-120~-128 m采用外掛錳鋼板雙層鋼筋混凝土加固；-128~-151 m采用雙層鋼筋混凝土錳鋼板加固，支護厚度為600 mm；-151~-175 m采用錨網噴射混凝土支護，支護厚度為150 mm；-175~-206 m采用噴射混凝土臨時支護+鋼纖維混凝土支護，支護厚度為1 200 m；-206 m以下采用錨網噴射混凝土（或素噴射混凝土）支護，支護厚度為100 mm。圖1為石碌鐵礦井底車場平面布置圖。

2#主溜井投入使用后，2018年3—4月鄰近溜槽段發生較嚴重的錳鋼板脫落現象，且錨固螺栓隨錳鋼板一并拔出，在錳鋼板脫落處鋼筋混凝土井壁被破壞，出現鋼筋裸露、砸斷現象，為此礦山對該段主溜井進行了加固處理。2019年5月19—30日，2#主溜井生產放礦時，在-420 m放礦口頻繁出現大塊巖石卡堵、礦石含水率增高現象，有的大塊巖石上存在錨桿或錨桿眼，嚴重影響礦石粗破碎和主井提升生產，為了找出大塊巖石產生的原因，礦山組織對井筒進行了三維掃描，初步發現-151~-175 m段主溜井垮塌嚴重，最深處已垮塌至井筒邊界13 m，垮塌體積超過4 500 m3，-175 m以下垮塌情況不詳［3］。圖2為主溜井-151~-175 m段垮塌斷面圖。

1.2 主溜井垮幫原因分析

針對2#主溜井在使用過程中出現垮幫現象，礦山從開拓工程布置、工程地質條件、水文地質條件、主溜井掘砌方案、主溜井使用情況等不同角度進行了梳理分析，認為主溜井垮幫是多種影響因素相互疊加所致。

（1）主溜井所在區域工程地質條件復雜，2#主溜井處于3個斷裂構造包圍之中，且有1條產狀為174°∠81°的斷層從主溜井經過，受影響的范圍在-120~-206 m，斷層節理裂隙發育、巖石較為破碎。

（2）為了便于檢查、處理主溜井堵塞情況，礦山在-200 m施工了1條觀察巷道，巷道中積水嚴重、巖石穩定性差，存在片幫和冒頂問題。

（3）礦山前期采場能力小、提升能力大，因而運輸給礦量小于主溜井放礦量，造成運輸給礦頻繁沖刷主溜井井壁。

（4）在主溜井施工過程中，-132~-142、-140~-150、-200~-210 m處曾出現垮塌堵井現象，雖已加固處理但支護厚度薄、范圍小，強度不足以阻止礦石沖擊、摩擦對主溜井的破壞作用。

2 主溜井垮幫修復方案

2.1 主溜井工程地質情況

2#主溜井工程采用天井鉆機反井法施工，先鉆進導孔、再擴孔、最后擴刷。在施工導孔期間曾出現多次卡鉆現象，主溜井擴刷過程中在-132~-133、-140~-150、-200~-210 m等位置發生垮塌。從2#主溜井巖性情況來看，-120~-206 m段為白云巖，巖體整體穩定性較好，有破碎帶經過的區域，帶內為壓碎巖石和泥質礦物充填，風化蝕變強烈，穩定性較差，其中，在-137~-140 m有1條產狀為183°∠57°的斷裂構造、在-175~-185 m有1條產狀為174°∠81°的斷裂構造；-206~-228.55 m段為中強風化的透輝石、透閃石，巖體呈片狀構造、節理裂隙發育，整體穩定性較好，2種巖石間有接觸破碎帶，產狀為174°∠81°，帶內為巖石碎塊、泥質物充填，穩定性較差。

2.2 主溜井垮幫修復初步方案

為了確保修復主溜井垮幫工作安全、施工工期可控，需根據主溜井周邊的地質條件、主溜井垮幫情況制定可靠的修復方案。采用空場采礦法的原理，將垮幫后的主溜井視作一個已經采空的礦房，由內向外、自上而下進行修復。首先在-420 m放礦將主溜井內的礦石放出2 m左右的高度，便于人員進入主溜井檢查其破壞情況并處理安全隱患；然后采用鋼筋混凝土進行主溜井加固形成人工假頂結構；接下來在假頂的掩護下處理主溜井下部的垮幫情況，采用噴錨網作臨時支護，并按照每次循環2 m向下處理，當臨時支護達到10~15 m或處理過程中存在安全風險時，則暫停向下處理井壁垮幫轉而進行主溜井加固，并采用鋼筋混凝土作為假底、上部為澆灌混凝土充填空區；再向下以前期的假底為掩護，并按垮幫清理、臨時支護、鋼筋混凝土加固、空區充填的過程循環，直到主溜井修復完畢，采用低壓注漿將每兩次澆灌混凝土之間的縫隙充填密實；為防止礦石沖擊、流動磨損主溜井壁并延長主溜井使用時間，在主溜井-191 m以上加固時安裝耐磨襯板。

3 主溜井垮幫段修復工程的實施

3.1 在主溜井垮幫段上方人工假頂設置

因主溜井垮幫面積大、距離長，為了保證主溜井修復過程中人員作業安全，需要將垮幫區域的頂板支護好才能在主溜井內作業。在主溜井放礦至預定高度后，礦山組織人員下到主溜井垮幫位置檢查情況，發現主溜井垮幫問題遠超想象，不僅頂板垮塌面積大、且巖石整體性差。考慮到在主溜井內作業空間狹窄、安全條件差、施工難度大等因素，不宜安排施工人員在裸露的空間內從事綁扎鋼筋、澆灌混凝土等工作，為此礦山調整了假頂加固方案。

調整后的假頂加固方案:在-420 m放礦將主溜井內的礦石放出2 m左右的高度，施工人員進入主溜井后，以吊盤為掩護對主溜井垮幫區進行安全處理，撬除頂板的浮石，在此基礎上迅速完成噴錨網臨時支護，并由內向外擴展作業面直到垮幫區頂板全部支護完畢。現場采用長短錨桿相結合、雙層鋼筋網噴射混凝土進行臨時支護，在垮塌區頂板浮石撬除完成后，先初噴50 mm混凝土封閉巖石表面以防頂板碎石掉落，然后按800 mm×800 mm的網度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網片，錨桿規格為?22 mm×2 000 mm，再復噴100 mm混凝土使支護后的頂板成為整體，待垮幫區全部清理、支護一遍后，按3 000 m×2 000 m的網度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網片，錨桿規格為?28 mm×5 000 mm，再加噴150 mm混凝土對頂板進行加固，最終形成了長短錨桿相結合、雙層鋼筋網的噴射混凝土假頂結構。

3.2 主溜井垮幫段加固

人工假頂形成以后，在主溜井內施工作業的安全性得到了顯著改善。主溜井垮幫段采取自上而下撬除浮石、自下而上加固井筒的方案，在人工假頂的掩護下，首先將主溜井垮幫壁上的浮石撬除并初噴50 mm混凝土以防碎石片幫掉落，然后按800 mm×800 mm的網度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網片，錨桿規格為?22 mm×2 000 mm，再復噴100 mm混凝土使支護后的井幫成為整體，接下來在-420 m放礦使主溜井中間位置礦位下降2.5~3.0 m，利用小型挖掘機將垮幫區的碎石清理到井筒中間位置，在渣堆上按前述步驟完成浮石撬除、噴錨網臨時支護等工作，由此循環多次。當垮幫段臨時支護由-151 m下降到-164.4 m時，主溜井垮幫面積不僅沒有縮小的跡象，巖石反而更加破碎、穩定性變差，繼續向下清理浮石時出現了上部巖石失穩的現象、存在較大的安全隱患，因此轉入主溜井加固階段。

主溜井加固采用自下而上的順序，為保證下一個循環施工安全在下部設置假底結構，假底采用雙層鋼筋混凝土結構，為提高主溜井垮幫段加固的整體強度，在井筒徑向上內側采用雙層鋼筋網混凝土結構、外側采用C30混凝土。首先平整底板巖石、充填細砂、鋪設土工膜以防水泥漿液滲漏，然后按全斷面鋪設雙層鋼筋網澆灌混凝土形成假底結構，假底結構的鋼筋采用?28 mm螺紋鋼、網度為300 mm×300 mm、層距為500 mm，層間采用?10 mm圓鋼連接，鋼筋網與主溜井壁和假頂臨時支護的錨桿相連接形成整體，鋼筋綁扎完成后在假頂與假底之間澆灌混凝土約為2 310 m3，起加固主溜井作用［1-3］。

考慮到主溜井在-175~-206 m施工階段采用噴射混凝土臨時支護+鋼纖維混凝土支護，且支護厚度達到了1 200 mm垮幫的可能性較小，因此擬定最終在-175 m以上設置假底，當主溜井清理到-176 m時，發現原有的鋼纖維混凝土支護已完全消失且巖石極為破碎，大大超出了前期的想象。為此，在-176 m設置了第2層假底，假底結構以及上部的加固形式與第1層相同，澆灌混凝土約為2 250 m3。

主溜井加固到-176 m后在-420 m放礦，發現主溜井垮幫面積并沒有縮小，繼續沿用前面的做法向下清理和臨時支護，當臨時支護到達-197 m時與1條主溜井觀察巷道溝通，該巷道內有大量積水源源不斷灌入主溜井，由此判斷觀察巷道涌水是造成主溜井垮塌的又一重要原因。繼續往下清理主溜井巖石整體性、穩定性轉好，井筒斷面也有所縮小，因此在-191 m設置了第3層假底，假底結構在第1、2層的基礎上增加了縱向和橫向布置的工字鋼，同時在-197 m主溜井觀察巷道內設置了2道擋水墻，阻止水流進入主溜井，其中，在距離主溜井壁約3 m處設1道厚度為300 mm的磚混結構擋水墻，在距離主溜井壁約30 m處設1道厚度為1 000 mm的混凝土結構擋水墻，確保無水流進入主溜井。

受卷揚機鋼絲繩長度的限制，吊盤最多只能下放到-210 m標高，在-176~-191 m主溜井加固完成后，按此前浮石撬除、臨時支護的步驟逐步將主溜井內的礦位放至-207.6 m，該段主溜井鋼纖維混凝土支護層也已脫落，但井筒斷面擴大跡象不明顯，為此-191~-206 m進行了最后一段加固處理，該段假底結構采用單層鋼筋網與主溜井壁錨桿和頂部鋼筋連成整體，澆灌混凝土后養護28 d。

綜上所述，主溜井垮幫段澆灌混凝土加固分4次完成，共55 m。前3次加固設置雙層鋼筋網混凝土假底為向下部施工提供掩護，第4次加固設置單層鋼筋網混凝土假底以提高抗拉強度，加固體通過錨桿與巖體緊密結合，不僅保證了主溜井垮幫段的施工安全，同時大大提高了主溜井壁的強度。第3次加固時在-191 m對主溜井觀察巷道的涌水進行了治理，從而消除了地下水對主溜井放礦和井壁巖石破壞的影響。

4 主溜井修復后使用情況

主溜井修復完成后經過28 d的保養，開始恢復試運行。由于主溜井內原先貯存超過12 000 t礦巖（理論測算），包括來自采場各區域的礦石、主溜井垮幫的巖石、加固期間殘留的雜物，在試運行期間需要將主溜井內貯存的礦巖全部置換。為了減少-120 m電機車卸礦對主溜井的沖刷［4］，在-120 m先行采用采準副產礦石將主溜井填滿，在-420 m放礦過程中嚴格控制主溜井內礦位高度，當礦石下降達到20 m時停止放礦，再次采用回采礦石將主溜井填滿，接下來按規定的主溜井礦位高度控制-120 m運輸系統電機車卸礦量、-420 m破碎系統放礦量［5］。

2020年2月6日起，礦山組織開展主溜井放礦工作，在放礦1 600~5 000 t間零星出現5次大塊巖石卡堵現象，其后正常放礦7 800 t，在放礦128 00~15 400 t間頻繁出現34次大塊卡堵現象，再往后正常放礦，表明主溜井內原先貯存的礦巖已置換完畢，整個試運行歷時9 d，共處理大塊39次，撿出螺紋鋼10根。進入3月以來，隨著礦山各生產系統逐步正常，2#主溜井一直保持順暢運行，再也沒有受到主溜井垮幫、大塊卡堵的困擾，從而為礦山地下開采系統全面達產達效提供了保障。

5 結語

主溜井是地下礦山生產的瓶頸之一，保持主溜井順暢運行有利于提高礦石產量。由于主溜井通過礦量大、服務年限長，其位置選擇應避開破碎裂隙、巖石穩定性差等不良地質條件，如施工過程中遇到節理裂隙發育、松軟風化的地層，應采取加強支護等技術措施，以防止主溜井在使用過程中出現垮幫而影響生產。石碌鐵礦主溜井在位置選擇、施工及使用方面的教訓是深刻的。因此，造成礦山采礦生產不暢、長時間停產修復，為了恢復2#主溜井的使用，礦山采用自上而下處理安全隱患、自下而上澆灌鋼筋混凝土和安裝耐磨襯板的加固方法，修復大面積垮幫區域，保證了施工過程中人員作業的安全，擴大了主溜井垮幫區修復和整體加固的范圍，極大地提高了主溜井的強度。