膨脹性軟破巖層深豎井施工分級支護研究

林健華，黃 敏，溫 晨，饒帝軍

（1. 塞爾維亞紫金礦業有限公司，塞爾維亞 博爾 19204；2. 紫金（長沙）工程技術有限公司，湖南 長沙 410000；3. 江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；4. 紫金礦業集團股份有限公司，福建 上杭 364200）

0 引言

20世紀以來，科學技術的快速發展也伴隨著不間斷的大規模資源開發，隨著淺層資源的枯竭，礦山開采向著地球深部發展[1-2]。作為礦井“咽喉”的井筒[3]是人員、設備、材料運輸的重要通道[4]。深部礦山的豎井穿過地層的地質結構復雜多變，目前國內外還沒有一套完整的設計施工成果可以借鑒[5]。在國內外深部礦山豎井的施工過程中，井壁的開裂、垮塌現象屢見不鮮，針對井壁修復治理難題，工程技術人員和科研人員提出了“注、凍、修、防”井筒綜合治理方案[6]，以開卸壓槽為主、井圈加固和注漿為輔的綜合治理技術方案[7]，“注、固、卸”綜合修復治理方案[8]等多種井筒井壁修復治理方案。

膨脹性軟破巖層在水理作用下易膨脹、破碎和分解[9]，軟巖遇水膨脹是井壁破裂及垮塌的重要原因。早期工程師們通常采用注漿封水、光爆快速施工，以避免巖石受淋水侵蝕[10-11]，但此類方法并沒有從根本上解決問題。為此，王金淑[12]通過開展室內實驗構建了巖體的膨脹力、膨脹應變的回歸方程，為工程提供理論計算依據；陳釩等[13]通過數值模擬分析膨脹性軟破巖層走向對隧道的影響，提出了局部加固的襯砌方案。此外，復雜環境下的深豎井施工也是一大難題。在以構造應力為主的深部礦山，水平應力在不同方向上有著較大差異，需要綜合考慮井筒的形狀、不同方向的壁厚，以及支護形式[14-17]。對于如何維持深豎井所穿過的復雜多變的巖層地質結構時的穩定性也是學者們討論的熱點，通過理論分析、數值模擬、室內實驗和現場試驗相結合的方法分析了井筒在不同巖性圍巖中的穩定性并給出支護的對策[18-22]。

國內外的工程師和學者們在膨脹性軟破巖層的研究主要集中在隧道工程上，而對于井筒支護和修復方案的研究相對較少。尤其是針對超千米深豎井在膨脹性泥灰巖施工和支護方面的經驗非常有限。本文通過現場試驗和經驗總結，針對國外某銅金礦山風井井壁兩次破裂的情況，設計了修復方案。同時，對施工地點的水文地質條件和工程地質條件進行了進一步調查，并根據不同巖石的力學性質，對圍巖進行了分級。最終，提出了相應的施工和具體支護方案，以指導后續井筒的施工工作。

1 工程概況

境外某銅金礦主要賦存三個礦體，包括上部礦帶主礦體、UZ-2礦體和下部礦帶，其中，下部礦帶位于上部礦帶和UZ-2礦體的下方，其埋藏較深，為700～2200 m，呈不規整橢球狀產出，屬于斑巖型礦床，其規模巨大，總礦量約為20.5億t，銅平均品位為0.77%。此外，下部礦帶屬于高地溫礦床，首采-800 m標高平均地溫40 ℃，地溫梯度2.25 ℃/100 m。根據礦山實際施工水平及井下開采技術條件，一期工程設計開采規模為14.85 Mt/a。一期工程主要包括雙箕斗主井、大副井、1#進風井、1#回風井、2#回風井、出礦水平、拉底水平、回風水平、有軌運輸水平、水泵房、中央變電所及各類硐室、采切工程等。基建期井巷工程量達1.06×106m3，中深孔拉底工程量達9×104m3。一期工程總基建工程量合計1.15×106m3，基建期為5 a。該銅金礦下部礦帶1#進風井井筒設計深度1158 m，凈直徑Φ7.5 m，井壁壁厚500 mm，其中，井頸段77 m，采用雙層鋼筋混凝土支護，井筒段1081 m，采用素混凝土支護；其中，1#進風井工勘孔TC210663的鉆孔巖芯表明，1#進風井0～361.6 m為中世紀沉積巖（MCS）巖組、361.6～1198.0 m為下部安山巖（LA）巖組。

2 井壁破裂情況分析

2.1 井壁破裂特征

1#進風井于2022年6月1日開始井筒下掘，至2022年10月20日施工200 m深度以下時，其巖性變為膨脹性泥灰巖，呈灰色，節理裂隙發育，夾雜微小礫石，巖性強度極低，手可捻碎，遇水泥化軟化，具有較強的膨脹性，自穩性差，井壁圍巖揭露后4 h左右開始出現膨脹現象，施工期間出現了兩次井壁破裂現象。第一次井壁破裂發生在2022年10月22日，當施工至224.4～228.8 m深度，施工隊伍放炮出碴至3.5 m左右段高時，井壁脫模后發生垮塌，井筒東北側井壁壁后不斷冒落、塌空；塌空區尺寸為長2.5 m×寬3.0 m×高2.0 m；井壁混凝土垮塌尺寸為寬3.0 m×高1.5 m，如圖1（a）所示。第二次井壁破裂發生在2022年12月29日，當施工至333.8～336.3 m深度時，井壁混凝土受膨脹性軟破巖層的不均勻壓力擠壓后出現破裂，裂縫呈放射狀，多為橫向裂縫，局部為貫通裂縫。裂縫平均寬度2 cm，深度局部超過50 cm，形成一個三角區域的貫通裂縫，同時井壁混凝土出現掉塊現象，如圖1（b）所示；兩次井壁破裂段的圍巖分布情況如圖2和圖3所示。

圖1 井壁破裂特征Fig. 1 Fracture characteristics of wellbore

圖2 第一次井壁破裂段的圍巖分布情況Fig. 2 Distribution of the surrounding rock in the first wellbore fracture

圖3 第二次井壁破裂段的圍巖分布情況Fig. 3 Distribution of the surrounding rock in the second wellbore fracture

2.2 井壁破裂機理

1）水侵泥化作用。井筒在深度超過200 m后，圍巖由膨脹性泥灰巖組成，節理裂隙發育且強度極低，容易受到水泥化軟化的影響而變得更加脆弱，同時具有較強的膨脹性。在施工過程中，當井筒施工深度達到220 m時遇到了含水層，含水量豐富。由于膨脹性泥灰巖遇到水泥化反應發生膨脹，在施工過程中產生了局部破壞，并最終導致了整體的破裂垮塌現象。

2）應力綜合作用。井筒在300 m深度以下時，其抗剪強度由于受水平壓力作用隨深度增加而降低，其巖層極為發育的節理裂隙也易形成各種應力集中現象使其強度降低。井筒在受到巖層遇水泥化膨脹所產生的不均勻壓力的擠壓以及地應力、構造應力的共同作用下，井筒局部出現破裂現象。

3）爆破振動擾動作用。從整體上看，井筒在施工過程中反復受到爆破振動的擾動，部分區域壁后已經泥化的巖層反復受到爆破振動影響，塌陷形成較大范圍空區，井壁失去支撐作用而發生垮塌。

通過綜合分析該風井井壁兩次破裂的原因可知，第一次破裂是膨脹性泥灰巖遇水泥化，強度降低且節理裂隙較為發育，在爆破振動作用下壁后巖層塌陷使得井壁環向受力不均而引起井壁大范圍垮塌；第二次破裂是由于巖層膨脹作用施加給井壁較大的徑向壓力，加之各種復雜構造應力的綜合作用超過了井壁自身的強度而發生破裂。

3 超深井壁修復

該銅金礦經歷了兩次嚴重的井壁破裂事件，豎井掘進、出渣、澆筑等班組都在有限的豎井空間內作業，井壁破裂的高空墜物風險嚴重威脅作業人員的人身安全。針對兩次井壁破裂的不同情況，首先，對常見的修復治理方法進行了分析；然后，根據治理設計原則和礦山技術經濟條件制定了破裂井壁修復治理方案。

3.1 井壁常見修復方法

1）井圈加固法[23]。井圈加固法指的是采用槽鋼井圈對井壁加固，以控制突發性井壁破裂情況的進一步發展，該方法屬被動支護，可以短期約束井壁的徑向變形，但長此以往井壁的變形也會逐漸增大到無法控制的程度；此外，還要考慮到加固后的井壁內徑是否滿足設計要求。

2）注漿加固法。注漿加固法也是常見的井壁治理方法，通常分為地面注漿和破壁注漿。破壁注漿通過在壁后注漿在井筒周圍形成注漿帷幕，改善圍壓力學特性，但其加固范圍較小不能作為長期治理的方法；地面注漿從地表對疏排水層進行注漿充填孔隙而提高其自身的承載能力，但對于深井注漿成本較高，且對施工工期有一定的影響。

3）卸壓槽法。卸壓槽法是指在井壁合適位置開切環形卸壓槽，利用可壓縮性材料的卸壓槽使井壁具有軸向可壓縮性，將巖層中積累的應力釋放，降低井壁所受到的直接應力，該方法是最簡單也是應用最為廣泛的方法。

3.2 井壁修復原則

1）一“讓”二“抗”[24]。“讓”指的是應用一定的技術（如卸壓槽法）釋放井壁所受到的應力，避免井壁結構的直接破壞；“抗”指的是增大井壁的強度質量（如環形槽鋼），使其具有更高的承載能力。

2）井壁水平承載能力等強度設計原則。該原則指的是通過采用槽鋼加固、高強度混凝土多種手段加固井壁的方法，確保修復后復合井壁結構的強度等于原鋼筋混凝土井壁的設計強度。

3）井筒安全間隙原則。井壁受巖層徑向膨脹力及豎向附加力的共同作用，內徑縮小，因此，井壁修復工程中，在確保井筒的安全間隙、支護強度的前提下，應擴大槽鋼的內徑，切除一些不必要的翼緣。

4）卸壓槽壓縮量大于地表沉降量原則。卸壓槽是在井壁上切開一個環形槽，從而釋放作用在井壁上的豎向附加力，因此，卸壓槽的尺寸主要由井壁和地表沉降量決定，要保證卸壓槽軸向可壓縮量不小于地表沉降量。

3.3 第一次井壁破裂修復治理

第一次井壁破裂的主要原因是圍巖屬于膨脹性軟破巖層，節理裂隙發育，同時處于含水層中，圍巖遇水泥化。井筒井壁壁后塌空后形成較大空洞，導致井壁環向受力不均勻。井壁模板脫模后，素混凝土井壁局部應力失衡，導致井壁混凝土形成裂縫，并逐步擴展，最后垮塌。對此制定如下井壁破裂治理方案。①排水。豎井內下放廢油桶，桶內放入用直徑55 cm無縫鋼管制作的濾水管，濾水管里放置MajoyH-72-46-67KW潛水泵用于排水，潛水泵水排至三層吊盤中盤水箱，再由MD45-80×9臥泵通過排水管排至地表。②碎石回填。豎井井底回填30～60 mm的碎石至井壁垮塌上口約4.7 m處，碎石通過主提升、副提升兩個6 m3底卸式吊桶下放。③塌空區壁后充填。下放鋼模板（4.5 m）上沿（拆除刃腳）至碎石回填面，然后對壁后塌空區澆灌混凝土，混凝土強度為C35。由于塌空區上部為穹頂狀，混凝土充填無法接頂，故采用噴射混凝土分層接實。④拆模與碎石回填。拆除整體鋼模板下部2 m，提升模板至224.4 m井深處，回填石子至225.4 m井深。⑤井壁鑿除。由于爆破破除井壁可能影響上部井壁質量，故采用風鎬鑿除224.4～226.9 m處井壁破裂的素混凝土。⑥雙層鋼筋支護。井壁鑿除完成后，綁扎2.5 m段高雙層鋼筋澆筑混凝土，環向鋼筋直徑Φ22 mm，排間距200 mm，縱向（軸向）鋼筋直徑Φ22 mm，間距200 mm，拉筋直徑Φ8 mm，200 mm×400 mm。以此類推，從上往下雙層鋼筋混凝土支護一直深入到圍巖完整性較好地層3 m左右。

3.4 第二次井壁破裂修復治理

第一次井壁破裂約兩個月后，出現第二次井壁破裂，主要原因是掘進至333.8～336.3 m深度時，巖石為膨脹性泥灰巖，井壁揭露后4 h遇水開始出現膨脹，井幫圍巖每小時膨脹速度達180～260 mm，豎井底板圍巖出現上漲底鼓現象，每小時上漲速度達150～200 mm。為保證掘進斷面及模板落模高度，反復二次刷幫掘進、三次刷幫掘進。在一個循環掘進施工長達3 d后，井壁在采用超前管棚支護情況下，掘進面超前管棚仍產生整體嚴重彎曲變形，如圖4所示。井壁混凝土受膨脹巖層的不均勻壓力擠壓，形成放射性裂縫，同時井壁整體破壞超前管棚失去支撐后，混凝土自重加快裂縫發展至上一模331.3 m處，在多重應力作用下局部井壁被擠壓出來出現掉砼現象。針對此情況，結合第一次井壁修復經驗，制定如下井壁破裂治理方案。

圖4 膨脹圍巖作用下超前管棚彎曲變形Fig. 4 Bending deformation of advanced pipe shed under the action of expansive surrounding rock

第二次井壁破裂治理方案的排水、碎石回填、塌空區壁后充填、拆模與碎石回填、井壁鑿除、雙層鋼筋支護工序與第一次井壁破裂治理方案一致，但為了進一步應對膨脹性軟破巖層（泥灰巖）的強膨脹性，在此基礎上增加以下工序。①截水槽施工。為了攔截井壁淋水從而避免其對膨脹性軟破巖層作用，回填碎石前在吊盤上層盤施工截水槽，將上部井壁淋水歸流至吊盤水箱內，通過排水管排至地表。②錨噴支護。井壁混凝土破除完成后，在確保井幫支護厚度大于500 mm的情況下，采用錨網噴支護，采用的樹脂錨桿規格為直徑Φ22 mm×長2400 mm，間排距1 m×1 m，梅花型布置，全長錨固。單層鋼筋網片規格為6.0 m×2.1 m，網度100 mm×100 mm。③卸壓槽。綁扎鋼筋前，在井幫周圈開挖兩圈梅花型布置的卸壓槽，每圈6個矩形卸壓槽，每個卸壓槽均放置泡沫板，每塊泡沫板長度為1.50 m，寬度為0.50 m，厚度為0.05 m。使得井壁混凝土和膨脹性圍巖之間形成一個緩沖區，從而減少膨脹壓力對井壁混凝土的直接沖擊。井筒斷面圖示意圖如圖5所示。

圖5 井筒斷面示意圖Fig. 5 Construction schematic diagram of shaft section

4 豎井過膨脹性軟破巖層施工及分級支護方案

通過總結1#進風井兩次井壁破裂經驗并結合本工程具體情況，進一步分析了水文地質條件及工程地質條件，制定了豎井過膨脹性軟破巖層圍巖分級表（表1）。通過分析豎井施工過程中可能遇到的圍巖條件，并為其劃分施工等級，可以在后續掘進過程中為工程技術人員選取恰當的圍巖支護措施提供依據。根據圍巖揭露情況確定安全合理的支護方式，給出了不同等級圍巖所采用的具體施工方案。

表1 豎井過膨脹性軟破巖層圍巖分級表Table 1 Grading table of the surrounding rock of the shaft through expansive soft broken rock strata

1）過Ⅲ級圍巖施工、支護方案。Ⅲ級圍巖，圍巖較完整或局部破碎、自穩性較好，巖層不具有膨脹性時，施工方案如下所述。①按整體4.5 m段高，長段正規掘砌組織施工。②臨時支護：采用超前管棚臨時支護，超前管棚管徑Φ48 mm，長度4 m，間距40～50 cm，外插角度8°～14°，鋼管外露長度不小于0.4 m。③永久支護：采用C35素混凝土支護，井壁壁厚500 mm。

2）過Ⅳ級圍巖施工、支護方案。Ⅳ級圍巖，圍巖大范圍破碎、自穩性較差，巖層具有膨脹性時，施工方案如下所述。①按整體2.5 m段高，短掘短支組織施工。②臨時支護：采用超前管棚+噴漿支護或超前管棚+錨網支護；超前管棚管徑Φ48 mm，長度4 m，間距40～50 cm，外插角度8°～14°，鋼管外露長度不小于0.4 m，素噴漿厚度50 mm，噴砼強度C25。錨網支護參數：直徑Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，長度1～3 m，樹脂錨固劑，全長錨固。③永久支護：采用C45素混凝土支護，加大井壁壁厚至600 mm。

3）過Ⅴ級圍巖施工、支護方案。Ⅴ級圍巖，圍巖大范圍極破碎、自穩性極差，巖層具有強膨脹性時，施工方案如下所述。①按整體2.5 m段高，短掘短支組織施工。②臨時支護：超前管棚+錨噴支護；超前管棚管徑Φ48 mm，長度4 m，間距30～40 cm，外插角度8°～14°，鋼管外露長度不小于0.4 m，錨網噴漿厚度100 mm，強度C25。錨網支護參數：直徑Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，長度1～3 m，樹脂錨固劑，全長錨固。③永久支護：采用C45雙鋼筋混凝土支護，井壁壁厚至600 mm。環向鋼筋直徑Φ22 mm，排間距200 mm，縱向鋼筋直徑Φ22 mm，間距200 mm。拉筋直徑Φ8 mm，200 mm×400 mm。④截水槽與卸壓槽：在吊盤上層盤施工截水槽將上部井壁淋水歸流至吊盤水箱內，通過排水管排至地表。綁扎鋼筋前，在井幫周圈布置卸壓槽并預埋導水管。

5 應用效果

通過對兩次井壁破裂修復后一段時間的觀察，修復處未出現井壁裂縫及漏水的情況，可以認為兩次井壁修復方案應用效果較好，滿足施工安全要求，達到了預期。

此外，1#進風井在后續不同圍巖級別掘砌過程中，根據上文所提不同巖性豎井施工及分級支護方案進行的實際應用驗證（Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖采用對應支護方案后的支護效果如圖6～圖8所示），在工期、質量、安全三個方面都取得了良好效果。

圖6 III級圍巖超前管棚臨時支護現場應用Fig. 6 Field application of temporary support of advanced pipe shed in grade III surrounding rock

圖7 IV級圍巖超前管棚+噴漿臨時支護現場應用Fig. 7 Field application of temporary support of advanced pipe shed and shotcrete in grade IV surrounding rock

圖8 V級圍巖超前管棚+錨噴+雙層鋼筋+卸壓槽+截水槽聯合支護現場應用Fig. 8 Field application of joint support of advance pipe shed,bolting and shotcreting, double-layer steel bars, pressure relief trough, water intercepting in grade V surrounding rock

1）工期方面。以Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖為例，在未采用超前管棚等支護形式前，由于膨脹性圍巖極易垮塌、應力明顯，同時不斷反復處理膨脹性圍巖，處理難度高，工人勞動強度大，容易疲勞作業；每2.5 m段高掘砌循環需30 h以上。采取上述圍巖分級支護方案后，支護措施更有針對性，最終，Ⅲ級圍巖每個循環（4.5 m段高）掘砌時間僅需28 h；Ⅳ級圍巖每個循環（2.5 m段高）掘砌時間僅需18 h；Ⅴ級圍巖每個循環（4.5 m段高）掘砌時間僅需20 h，對整個豎井掘砌工期有較大提升。

2）安全、質量方面。根據原設計方案，1#進風井77 m以下僅為素混凝土，而素混凝土無法有效應對膨脹圍巖、復雜應力的作用，井壁出現了兩次不同程度的破裂、垮塌，井壁施工后存在較大的質量問題；同時，在施工過程中，圍巖易片幫、垮塌，井壁破裂，對施工人員安全存在較大的威脅。采取上述圍巖分級支護方案后，超前管棚起到臨時支護作用，很大程度上保證了施工安全，為豎井順利到底提供了有力保障；通過對1#進風井井壁較長時間的觀察，未再出現質量問題，可為礦山長達50 a的服務年限提供有力保障，產生了巨大的安全效益及社會效益。

6 結 論

特殊的地質環境、地下水及膨脹性泥灰巖等軟破巖層是1#進風井井壁破裂的最主要因素。在開展井壁破裂修復治理后，該豎井井壁并未再出現裂縫及漏水現象，表明修復治理效果良好。在此基礎上，進一步分析了水文地質條件及工程地條件，提出了豎井施工及分級支護方案以指導后續施工。

1）超前管棚支護可給予豎井井筒四周軟破圍巖有效支撐，阻止井壁壁后圍巖冒落垮塌區向上發展擴大。

2）錨噴支護可充分發揮圍巖自支撐能力，確保井筒施工作業人員安全；噴砼可封閉圍巖，減少膨脹性泥灰巖暴露時間，減弱軟巖膨脹對井壁的作用。

3）井筒四周布置的卸壓槽以及雙層鋼筋混凝土永久支護，可為井壁提供相對足夠的卸壓空間與泄壓時間，防止混凝土支護開裂破壞，保證支護質量和施工安全。

4）井筒防治水是膨脹性巖層施工成敗的先決條件，截水槽、預埋導水管、階段性壁后注漿等措施作用突出。

國內外千米深豎井通過膨脹性軟破巖層（泥灰巖）施工、支護方案可借鑒經驗極少。通過上述施工、支護技術措施，1#進風井井壁兩次修復效果較好，并且根據提出的施工及分級支護方案，井筒順利通過厚度超過500 m的不良巖層，為膨脹性軟破巖層中的深豎井掘進施工積累了經驗，對類似工程具有一定的借鑒意義。