防腐抗滲韌性井壁結構設計及其在新城金礦新主井施工中的應用

摘要：在深豎井設計施工過程中，高聚能、高溫、高水壓、破碎地層圍巖等因素嚴重影響井壁穩定性，合理的井壁結構成為井筒安全施工的關鍵。針對新城金礦深豎井存在圍巖破碎、高地應力、高承壓水、高硫酸根離子和氯離子地下水的圍巖條件，結合C40高性能防腐抗滲韌性新型混凝土及錨網梁支護方式，對1 300 m以深井筒筒身的井壁結構進行優化調整，設計了2種韌性抗滲、抗腐蝕的新型井壁結構，并進行了現場應用。結果表明：防腐抗滲韌性井壁結構施工后，井筒深部施工現場未有新的巖爆情況發生，井壁抗沖擊性較好，現場涌水量明顯減少。研究成果為新城金礦新主井深部支護施工提供了技術支撐，也可為類似條件的深豎井開挖深部井筒圍巖支護提供技術指導與借鑒。

關鍵詞：井壁結構;C40混凝土;錨網梁;防腐;抗滲;韌性;堵水

引 言

隨著淺部資源的枯竭，國內礦山正逐步進入深部開采階段，部分礦山開采深度將達到1 500 m以上。隨著開采深度的不斷加深，深部開采所面臨的高地應力、高地溫、高滲透壓等“三高”問題使得深豎井在支護、堵水等方面面臨極大的挑戰，尤其是節理裂隙發育的深豎井破碎巖層支護設計與施工[1]面臨的技術問題更加復雜。

眾所周知，豎井開挖后由于井壁失去原有圍巖的支撐作用，井筒周圍的巖體會聚集較大的附加應力，井壁圍巖會產生徑向位移，將導致井壁圍巖發生塑性破壞進而造成豎井井壁失穩坍塌，局部區域甚至發生巖爆現象，嚴重影響礦山生產與安全。因此，豎井深部圍巖變形及圍巖與支護結構相互作用關系是豎井深部安全施工的首要環節之一，許多學者在這方面做了不少研究，也取得了相關成果[2-8]。為了提高井壁承載能力，最有效的途徑是采用高強混凝土，即在井壁混凝土中加入鋼纖維來提高混凝土的抗拉、抗折、抗剪強度，從而改善混凝土的抗裂性、延性和韌性，進而提高豎井井壁結構的安全系數[9-11]。本文以山東黃金礦業股份有限公司新城金礦（下稱“新城金礦”）新主井施工為背景，設計適用于深部豎井施工環境的防腐抗滲韌性井壁結構，以期為新城金礦新主井深部支護施工設計提供技術支撐。

1 工程概況

新城金礦位于山東省萊州市東北35 km新城村，隸屬山東省萊州市金城鎮管轄。新城金礦10 000 t/d生產能力的采選擴建工程將施工凈直徑6.7 m、深1 527 m的新主井。新主井下部勘探孔顯示巖段含3條破碎蝕變帶，滲透性強，鉆孔涌水量大，對工程施工影響大。第一層破碎蝕變帶，標高-1 274.54～-1 284.64 m，巖心呈碎塊、角礫、碎渣狀，全孔涌水量8.8 m3/h。第二層破碎蝕變帶，標高-1 362.65～-1 371.05 m，巖心呈碎塊、角礫狀，滲透系數為0.264 m/d，全孔涌水量3.7 m3/h。第三層破碎蝕變帶，標高-1 406.25～-1 421.00 m（476.25～491.00 m），松軟易碎，鉆孔涌水量達55 m3/h，滲透系數為0.964 m/d。

新城金礦新主井下部井壁原設計是：井頸段32.7 m（絕對標高32.9～0.2 m）采用鋼筋混凝土支護，支護厚度為1 000 mm、600 mm及1 500 mm（壁座），混凝土強度為C30;井身正常段及馬頭門采用素混凝土支護，支護厚度300 mm（-622 m標高以上）和400 mm（-622 m標高以下），混凝土強度為C25。對于深部圍巖破碎、高地應力狀態，深埋高水頭、高硫酸根離子和氯離子地下水的圍巖條件下原井壁設計的承載和耐久能力都不足，特別是耐腐蝕、抗沖擊和抗水壓的能力不能滿足現場安全生產需要，對井筒的長期服役極為不利。與此同時，新主井施工進入1 300 m以深，井筒掘進遭遇含水破碎帶，圍巖不穩定，涌水量加大，導致井筒施工更加困難。

針對上述問題，為了使深部井筒施工安全高效，本研究根據國內外深井井壁材料和設計理論，并結合豎井深部現場圍巖地質條件，設計出適用于新城金礦新主井深部富含破碎地層圍巖的新型井壁結構——防腐抗滲韌性井壁結構。

2 新型井壁結構設計

為適應深部高聚能、高溫、高水壓、破碎地層圍巖的井壁支護，針對1 300 m以深井筒筒身的井壁結構進行優化調整，設計了適用于破碎、高聚能含水地層的防腐抗滲韌性井壁結構。

2.1 結構設計

適用于破碎、高聚能含水地層（標高-1 330.00～-1 421.00 m）的井壁結構設計如圖1所示;適用于下部較完整圍巖（標高-1 421.00～-1 494.30 m）的井壁結構設計如圖2所示。含水破碎圍巖井壁段（如圖1所示A—A斷面）井壁結構根據此段破碎圍巖上下段1倍的高度進行施工，其余按照如圖2所示的方案（B—B斷面）施工。

2.2 井壁材料

1）井筒A—A斷面采用C40高性能防腐抗滲韌性混凝土，B—B斷面采用C40高性能韌性混凝土。

2）井筒A—A斷面井壁結構設計方案適用于破碎、高聚能含水地層，標高-1 330.00～-1 421.00 m;采用錨噴網臨時支護+單層鋼筋混凝土永久支護。井壁配筋的環向鋼筋和豎向鋼筋直徑均為18 mm，間距為200 mm。噴射混凝土厚50 mm，鋼筋網采用6 mm圓鋼制作，網孔為100 mm×100 mm，金屬網通過錨桿固定在巖壁上;錨桿采用樹脂錨桿，規格20 mm×2 200 mm，水平間距1 000 mm，豎向間距1 000 mm;托板規格為δ=10 mm、S=150 mm×150 mm。

3）井筒A—A斷面圍巖段井壁采用C40高性能防腐抗滲韌性混凝土澆筑時，需通過土工防水膜和導水管控制圍巖地層水的流動，防止涌水和淋水進入模板內，控制工作面水害對混凝土水灰比的不利影響。井壁澆筑7 d后，可實時對圍巖進行注漿，特別是對有出水和潮濕部位進行注漿，井壁壁后注漿的注漿孔和錨桿插花中間布置，既充填錨桿和圍巖的孔隙，又強化堵水抗滲和加固。250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054

4）井筒A—A斷面、B—B斷面澆筑的混凝土均摻入一定比例仿鋼纖維，仿鋼纖維摻入量為4.5 kg/m3，仿鋼纖維的抗拉強度為500 MPa，長度為50 mm，直徑為1.10 mm。

5）井筒A—A斷面、B—B斷面單延米、單延米鋼筋材料明細如表1、表2所示。井筒斷面特征參數如表3所示。A—A斷面、B—B斷面工程量及材料消耗如表4所示。新型井壁高性能混凝土材料配比如表5所示。

3 現場施工及效果

3.1 錨網梁支護

錨網梁施工流程如圖3所示，新主井-1 300 m水平錨網梁施工效果如圖4所示。

3.2 新型混凝土支護

澆筑混凝土摻入一定比例仿鋼纖維，仿鋼纖維摻入量4.5 kg/m3，仿鋼纖維的抗拉強度500 MPa，長度50? mm，直徑1.10 mm。仿鋼纖維材料加入時，要充分攪拌和分散，模板成型要加強振搗，現場攪拌如圖5所示。井壁采用C40防腐抗滲韌性混凝土澆筑，通過土工防水膜和導水管控制圍巖地層水的流動，防止涌水和淋水進入模板內，控制工作面水害對混凝土水灰比的不利影響。井壁澆筑7 d后，新主井-1 300 m水平新型混凝土井壁澆筑如圖6所示。

3.3 應用效果

施工錨網梁并澆筑新型混凝土拆模后，新型井壁效果如圖7所示。在韌性方面，新型井壁施工后井筒深部施工現場未有新的巖爆情況發生，說明新型井壁抗沖擊性較好。在控制涌水量方面，新型井壁施工后井筒內涌水量達到了井筒驗收規范要求，說明新型井壁與注漿結合后堵水效果良好。

4 結 語

本研究基于新城金礦新主井深部圍巖破碎、高地應力、高承壓水、高硫酸根離子和氯離子地下水的圍巖條件，研發出一種C40高性能防腐抗滲韌性新型混凝土，在此基礎上提出新的韌性抗滲、抗腐蝕的井筒支護優化方案（新型井壁結構），并應用于新城金礦新主井深部井筒施工中。

通過在新城金礦新主井-1 300 m水平進行錨網梁并澆筑新型混凝土井壁結構支護施工后，井筒深部施工現場未有新的巖爆情況發生，現場涌水量明顯減少，達到了井筒驗收規范要求。這說明，采用錨網梁并澆筑新型混凝土結構進行井筒支護施工后，井壁抗沖擊性較好，新型井壁與注漿結合后堵水效果良好。研究成果為新城金礦新主井深部支護施工設計提供了技術支撐，也為類似條件的深豎井開挖深部井筒圍巖支護提供技術指導與借鑒。

[參 考 文 獻]

[1] 郭相參，孫揚.深豎井破碎巖層圍巖應力分析模型探討[J].中國礦業，2019，28（增刊2）：411-414.

[2] 袁亮.深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區工程實踐[M].北京：煤炭工業出版社，2006.

[3] 徐栓強，侯衛.考慮巖體中間主應力效應的豎井穩定性分析[J].地下空間與工程學報，2007，3（6）：1 168-1 170，1 181.

[4] LI G F，TAO Z G，GUO H Y，et al.Stability control of a deep shaft insert[J].Mining Science and Technology，2010，20（4）：491-498.

[5] 殷有泉，李平恩，邸元.豎井開挖的不穩定性和巖爆的力學機制研究[J].力學學報，2014，46（3）：398-408.

[6] 孫闖，張向東，張建俊.深部斷層破碎帶豎井圍巖與支護系統穩定性分析[J].煤炭學報，2013，38（4）：587-594.

[7] 程力，王劍波，趙杰，等.思山嶺豎井井壁圍巖控制與支護優化[J].金屬礦山，2018（7）：74-77.

[8] 程力，王璽.深豎井開挖施工工藝優化與數值模擬分析[J].現代礦業，2020，36（9）：80-84，93.

[9] 黃承逵.鋼纖維混凝土[M].北京：機械工業出版社，2004.

[10] 王謙，朱峰，魯統衛.高強高性能鋼纖維混凝土在龍固煤礦凍結井筒筑壁施工中的應用研究[J].建井技術，2014（5）：42-45.

[11] 王謙，郭蕾.高強高性能鋼纖維混凝土的性能及在深凍結井中的應用研究[C]∥中國硅酸鹽學會.中國混凝土外加劑研究與應用進展——2018年科隆杯論文匯編.北京：中國硅酸鹽學會，2018：175-180.

Corrosion-resistant and anti-seeping shaft wall construction design and its application

to the new main shaft construction of Xincheng Gold Mine

Cheng Li1，2

（1.Deep Mining Laboratory of Shandong Gold Group Co.，Ltd.;

2.Shandong Key Laboratory of Deep-sea and Deep-earth Metallic Mineral Intelligent Mining）

Abstract：During the design and construction of deep shaft，factors such as high aggregation energy，high temperature，high water pressure，and broken strata wall rock seriously affect the stability of the shaft wall，and rational the shaft wall structure becomes the key to the safe construction of the shaft.In order to optimize the structure of the shaft body walls at the depth below 1 300 m by using C40 high-performance corrosion-resistant anti-seeping ductile new concrete and bolt-mesh-beam support in the presence of wall rock fracture，high surface stress，highly pressurized water，high sulfate radical and chloridion groundwater in the deep shaft of Xincheng Gold Mine，two types of ductile and corrosion-resistant new shaft wall structures were designed and applied with good field performance.Results show that after employing the ductile corrosion-resistant and anti-seeping shaft wall structure，there were no new rockburst at the deep construction site of the shaft，the impact resistance of the shaft wall was better，and the amount of water surge at the site was significantly reduced.The research results provide technical support for the support construction deep in the new main shaft of Xincheng Gold Mine，and also provide technical guidance and reference for deep shaft wall rock support in deep shaft excavation under similar conditions.

Keywords：shaft wall structure;C40 concrete;bolt-mesh-beam;corrosion-resistant;anti-seeping;ductile;water plugging250460BF-818D-4010-ABDD-39EB0C58E054