深部高應(yīng)力膨脹巖中礦石溜井優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工技術(shù)

魏超城，肖祖昕，王忠江

(新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司， 新疆 阿勒泰市 836700)

0 引言

隨著阿舍勒銅礦上采區(qū)資源量減少，礦山為了可持續(xù)發(fā)展，正逐步向礦山深部延深開采。目前，阿舍勒銅礦深度已達(dá)1242 m，屬典型的千米深井膨脹巖層環(huán)境，為施工帶來了巨大困難[1]。

根據(jù)阿舍勒銅礦現(xiàn)有溜破系統(tǒng)，深部0 m水平以上的溜破系統(tǒng)在使用過程中暴露出了很多問題。由于深井環(huán)境存在高地應(yīng)力膨脹巖，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，圍巖以凝灰?guī)r為主，呈明顯的片狀結(jié)構(gòu)，遇水易軟化泥化等，-50 m水平溜破系統(tǒng)的溜井出現(xiàn)多次井筒變形、堵塞甚至垮塌的現(xiàn)象。為防止在新建溜井使用中出現(xiàn)類似變形垮塌現(xiàn)象，提出以200 mm×200 mm網(wǎng)度規(guī)格焊接雙層鋼筋網(wǎng)片作為配筋，500 mm厚度C30強(qiáng)度混凝土為井壁砼，以及組合U形鋼拱圈和錳鋼板等加固礦石溜井設(shè)計(jì)方案，其礦石溜井示意見圖1。

圖1 礦石溜井示意

1 巖石力學(xué)參數(shù)分析

為了保證施工安全，確定施工設(shè)計(jì)，阿舍勒銅礦委托長沙礦山研究院有限責(zé)任公司于礦山深部溜井附近進(jìn)行巖體取樣單軸拉壓破壞測試以及地應(yīng)力測算，巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)見表1，具體地應(yīng)力分量測試結(jié)果見表2。

地應(yīng)力測算結(jié)果表明，最大主應(yīng)力位于近東西方向（傾角12°、近水平）中間主應(yīng)力位于近南北方向（傾角3°、近水平），最小主應(yīng)力近垂直，水平分量主應(yīng)力均高于垂直應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)（水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比）最大約達(dá) 1.5，水平應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力[2]。

表1 巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)

表2 地應(yīng)力分量測試結(jié)果

已有的礦石溜井井壁多次出現(xiàn)剪切破壞，尤其是井下巷道與最大主應(yīng)力東西方向垂直時(shí)，巷道兩幫膨脹變形現(xiàn)象最為嚴(yán)重，因此，綜合測試和實(shí)際破壞現(xiàn)象得出，礦區(qū)主要以水平方向的構(gòu)造應(yīng)力破壞為主[3]。

2 溜井設(shè)計(jì)

2.1 溜井結(jié)構(gòu)

礦石溜井井壁和斜溜槽采用鋼筋砼支護(hù)，均需摻加鋼纖維，規(guī)格為34 kg/m3，混凝土強(qiáng)度C30。

礦石溜井井壁配筋采用Φ18 mm螺紋鋼焊接成預(yù)制網(wǎng)片，規(guī)格為1.2 m×1.5 m，網(wǎng)度為200 mm× 200 mm，采用雙層鋼筋網(wǎng)布置，搭接部位必須交錯(cuò)布置，采用鐵絲綁扎，搭接長度300 mm[4]。

通常井壁砼厚度為500 mm，配筋采用雙層鋼筋網(wǎng)片，沖刷加固段（斜溜槽出口段和放礦機(jī)段）井壁砼厚度800 mm，配筋采用三層鋼筋網(wǎng)片。配筋保護(hù)層厚度50 mm。

井壁加固的U形鋼拱圈，沿垂直方向每1 m布置一組U25型鋼拱圈（一組4根），巖石破碎和硐室開口上下口交界處需相應(yīng)加密。U25型拱圈放置在鋼筋網(wǎng)中間，并跟水泥卷錨桿形成整體結(jié)構(gòu)，在斜溜槽開口處，應(yīng)將其和斜溜槽的工字鋼焊接成整體。

斜溜槽對(duì)面的井壁外襯錳鋼板厚度為4 cm，規(guī)格為0.6 m×1.5 m。采用螺栓連接。錳鋼板應(yīng)預(yù)制成直徑Φ4 m的弧形，并在錳鋼板上施工5個(gè)螺紋孔（4個(gè)安裝孔，1個(gè)吊裝孔），螺栓型號(hào)為M30×200，采用M30螺母連接。井壁施工長1.5 m，直徑22 mm的錨桿。螺栓墊片采用規(guī)格為150 mm×150 mm，厚15 mm鋼板制作，孔徑為40 mm，最上層錳鋼板螺栓處應(yīng)加焊錳鋼板進(jìn)行防護(hù)。

2.2 技術(shù)說明

2.2.1 錳鋼板加固

錳鋼板制作有兩種類型：Φ4 m的礦石溜井，采用Φ4 m的圓弧，規(guī)格為600 mm～1000 mm；Φ5 m的礦石溜井（儲(chǔ)礦段），采用Φ5 m的圓弧，規(guī)格為600 mm×1000 mm，厚度均為40 mm。安裝時(shí)上下左右緊密靠近，要求采用防松螺母加固牢靠，生根扁鋼內(nèi)插入螺紋鋼連筋，鐵絲綁扎在鋼筋網(wǎng)片上。其礦石溜井錳鋼板安裝見圖2[5]。

2.2.2 錨桿支護(hù)

錨桿用于刷擴(kuò)完成后巖壁的臨時(shí)支護(hù)以及鋼筋網(wǎng)片、U型鋼拱圈的安裝和支護(hù)支點(diǎn)。采用Φ22 mm 螺紋鋼水泥卷錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿長度為2.7 m，錨固長度為2.35 m，外露0.45 m。錨桿孔設(shè)計(jì)間距為1 m，排間距為1 m。每隔4 m施工一排Φ32 螺紋鋼水泥卷錨桿用于搭建施工平臺(tái)。

2.2.3 配筋網(wǎng)片

配筋網(wǎng)片采用Φ18 mm螺紋鋼在地表預(yù)制焊接成網(wǎng)片，再運(yùn)往溜井井筒內(nèi)進(jìn)行直接綁扎拼接。焊接網(wǎng)片規(guī)格為1.2 m×1.5 m，網(wǎng)度為200 mm×200 mm。以井壁上已經(jīng)安裝好的水泥卷螺紋鋼錨桿作為支點(diǎn)進(jìn)行安裝。上下之間配筋網(wǎng)交錯(cuò)搭接，搭接長度不少于300 mm，采用專用捆綁絲綁扎。雙層配筋網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)片之間間距為400 mm，混凝土保護(hù)層厚度為50 mm；三層配筋網(wǎng)片時(shí)，網(wǎng)片之間間距為350 mm，混凝土保護(hù)層厚度也為50 mm。采用提前預(yù)制網(wǎng)片的方法可以快速安裝配筋網(wǎng)片，保證強(qiáng)度的情況下縮短施工周期。

2.2.4 外襯鋼軌

在配筋網(wǎng)片外襯一圈L形輕軌用于抵抗水平構(gòu)造應(yīng)力。采用24 kg/m的輕軌，于地表加工成L形，分為4.5 m長和2.5 m長兩種規(guī)格，通常情況下，井壁采用4.5 m規(guī)格，溜井井筒與斜溜槽連接處采用2.5 m規(guī)格。輕軌之間間距取20～25 cm，每進(jìn)尺4 m循環(huán)的井筒一周鋼軌數(shù)量為50根。

2.2.5 井壁砼

礦石溜井井壁砼采用水泥標(biāo)號(hào)為425，強(qiáng)度為C30，混凝土配置過程中按照34 kg/m3的規(guī)格添加 鋼絲纖維。水灰比為0.43∶1，每立方米混凝土中材料用量為：水泥409 kg、水176 kg、砂559 kg、5～20 mm塊度卵石392 kg以及20～40 mm塊度卵石914 kg。經(jīng)上部施工硐室的自落式混凝土攪拌機(jī)攪拌后通過溜灰管送至模具中。配制好后的混凝土塌落度需控制在55～70 mm。

圖2 礦石溜井錳鋼板安裝(單位：mm)

2.2.6 U形鋼拱圈支護(hù)

U形鋼拱圈采用25U型鋼制作，Φ4 m的礦石溜井，使用Φ4.5 m的圓弧，長度為5200 mm，每3根一組，搭接長度為450 mm；Φ5 m的礦石溜井，使用Φ5.5的圓弧，長度為4770 mm，每4根一組，搭接長度為450 mm，搭接處使用2個(gè)U卡固定。垂直方向每1 m布置一組，放置在鋼筋網(wǎng)中間，并跟水泥卷錨桿形成整體結(jié)構(gòu)。在斜溜槽開口處，應(yīng)將其和斜溜槽的工字鋼焊接成整體。礦石溜井U形鋼支護(hù)安裝如圖3所示。

圖3 礦石溜井U型鋼支護(hù)安裝(單位：mm)

2.3 施工步驟

（1）反井施工。每50 m一段溜井進(jìn)行反井施工，先由反井鉆機(jī)施工Φ150 mm導(dǎo)孔，之后從底部往上通過反井刀盤施工至Φ2.5 m小井。施工周 期約20 d。

（2） 刷擴(kuò)施工。施工時(shí)，以進(jìn)尺4 m為一個(gè)工作循環(huán)，自上而下刷擴(kuò)澆筑工作。刷擴(kuò)至Φ5 m掘進(jìn)斷面，澆筑500 mm混凝土后為Φ4 m溜井?dāng)嗝妗９ぷ髁鞒贪凑账U(kuò)—清渣—打錨桿—安裝配筋網(wǎng)片以及U型鋼拱圈—焊接外襯鋼軌—安裝澆筑鋼模板以及混凝土澆筑—拆模清底進(jìn)行并準(zhǔn)備下一工作循環(huán)，平均每7～8 d完成一個(gè)工作循環(huán)。混凝土每澆筑100 m3時(shí)，取樣制作3個(gè)批次混凝土試樣塊，分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d后送至第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。

（3）放礦機(jī)安裝。礦石溜井底部6 m進(jìn)行放礦機(jī)基礎(chǔ)施工和澆筑，井壁砼800 mm，配筋網(wǎng)片3層。

2.4 使用效果

對(duì)新建的礦石溜井和已有的深部2#礦石溜井進(jìn)行對(duì)比研究。新建的礦石溜井在抵抗水平方向上的地應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)更佳，井筒沒有出現(xiàn)明顯的形變，更沒有出現(xiàn)在舊溜井中經(jīng)常出現(xiàn)的剪切破壞、井筒堵塞現(xiàn)象。其中雙層配筋混凝土、U型鋼拱圈以及L形輕軌是溜井對(duì)抗水平地應(yīng)力的主要組成部分，鋼筋網(wǎng)片的搭接使得分段施工的井筒成為一個(gè)整體。

3 結(jié)論

礦石溜井是礦山的咽喉，深部礦石溜井在高地應(yīng)力條件下出現(xiàn)的形變甚至垮塌是目前礦山要預(yù)防的重點(diǎn)問題。溜井垮塌頻繁，后續(xù)治理困難，所以在溜井建設(shè)之初就應(yīng)針對(duì)高應(yīng)力條件進(jìn)行針對(duì)性的加固，減少疏通溜井所需人力物力財(cái)力和時(shí)間成本。阿舍勒銅礦實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)不加固溜井相比，雙層配筋C30混凝土澆筑的設(shè)計(jì)能承受更高的地壓，防止井筒形變；U型鋼支護(hù)可以和井壁中的水泥卷錨桿形成一個(gè)支護(hù)整體，進(jìn)一步提高了支護(hù)能力；礦石沖刷段的外襯錳鋼板能夠有效降低礦石對(duì)溜井井壁沖刷造成的井壁破損和垮塌。阿舍勒銅礦深部高應(yīng)力膨脹巖中的溜井優(yōu)化設(shè)計(jì)可為類似礦山提供借鑒。