趙興東，李洋洋，趙一凡，陳洪年

(1.東北大學(xué) 深部金屬礦孚動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院， 山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

合理施工工藝與施工設(shè)備選擇是超深豎井安全高效施工的重要保障[1]。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)豎井建設(shè)采用短段掘砌及與之配套的傘鉆、大型抓巖機(jī)、整體移動(dòng)金屬模板等成套工藝及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行掘砌正規(guī)循環(huán)作業(yè)，提高了豎井掘進(jìn)效率，在涌水量小于10 m3/h 條件下，循環(huán)進(jìn)尺以5 m 為主，月成井可達(dá)100 m 以上[1?2]。隨著豎井掘砌的深度增加，高應(yīng)力條件下深豎井建設(shè)仍延用傳統(tǒng)淺部豎井支護(hù)理論與方法，導(dǎo)致混凝土井壁設(shè)計(jì)厚度過(guò)大（500 mm 以上），混凝土強(qiáng)度過(guò)高（C40 以上），仍會(huì)出現(xiàn)井壁破壞等問(wèn)題[3?4]，即淺部豎井支護(hù)理念與設(shè)計(jì)方法、施工工藝等在深井建設(shè)中已不再完全適用，亟待改進(jìn)與優(yōu)化。本文以新城金礦超深豎井建設(shè)為工程背景，應(yīng)用收斂?約束原理，對(duì)當(dāng)前深豎井施工工藝進(jìn)行優(yōu)化[5]，提高其在深井建設(shè)中的適應(yīng)性，為我國(guó)深井建設(shè)施工工藝研究和裝備發(fā)展提供參考。

1 新城金礦深豎井施工概況

新城金礦位于山東省萊州市東北35 km 新城村境內(nèi)，2017 年3 月30 日開始新主井掘砌，新主井設(shè)計(jì)深度為1527 m，井口標(biāo)高+32.9 m，井底標(biāo)高?1494.1 m，井筒凈直徑Φ6.7 m。在?630 m、?930 m、?1330 m、?1370 m、?1418 m、?1494.1 m 水平設(shè)有單側(cè)馬頭門，并分別于?630 m、?930 m 水平設(shè)有與現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的貫通巷。采用豎井短段掘砌混合作業(yè)法進(jìn)行豎井掘砌施工。

井筒基巖段設(shè)計(jì)采用素混凝土支護(hù)，?622 m 水平以上支護(hù)厚度為300 mm，?622 m 水平以下支護(hù)厚度為400 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。后進(jìn)行支護(hù)方案調(diào)整：首先進(jìn)行錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)，樹脂錨桿鋼型HRB400，長(zhǎng)2.5 m，直徑20 mm，支護(hù)網(wǎng)度1.5 m×1.5 m，金屬網(wǎng)直徑Φ6 mm，臨時(shí)支護(hù)段段高不超過(guò)12 m，后采用厚度400 mm C25 混凝土進(jìn)行永久支護(hù)。

新城金礦新主井基巖段采用國(guó)家級(jí)立井機(jī)械化快速施工工法組織施工，具體施工工藝如下。

（1）鑿巖裝藥：傘鉆懸吊于井筒中心位置，鑿巖進(jìn)尺4 m，按照傘鉆操作規(guī)程漸次完成傘鉆鑿巖工作。

（2）爆破通風(fēng)：放炮前，將吊盤提至安全高度（以40 m 為宜），全部人員升井撤出井口至安全距離以外后，按照規(guī)定程序進(jìn)行地表380 V 電起爆，放炮后，通風(fēng)排煙，通風(fēng)持續(xù)時(shí)間30 min。

（3）出渣平底：采用中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)配合挖掘機(jī)裝巖，渣石經(jīng)吊桶提升出井，經(jīng)翻渣裝置翻渣溜出井口外的渣石地坪，出渣至4 m 段高后，平整渣面。

（4）立模襯砌：校正固定整體金屬下行模板至渣石面，然后澆筑混凝土，混凝土由地面攪拌站配制，采用底卸式吊桶下料，經(jīng)分灰器，溜灰管入模。入模后，采用振動(dòng)棒分層振搗，襯砌厚度為400 mm。

（5）出渣清底：再次采用中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)、小挖掘機(jī)配合吊桶出渣，出渣結(jié)束后清理渣底，為鑿巖工序做準(zhǔn)備。

2 深豎井井筒承載收斂?約束受力分析

圖1 收斂?約束法原理

由此，混凝土井壁壓力計(jì)算需要對(duì)組成圍巖?支護(hù)系統(tǒng)的各單元載荷?變形特性相互作用進(jìn)行分析，包括隨井筒工作面不斷推進(jìn)而變化的縱剖面、垂直于井筒軸線的剖面以及剖面上的支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，深豎井井筒穩(wěn)定性分析包括井筒縱剖面變形特征曲線（LDP）、支護(hù)特征曲線（GRC）以及圍巖橫斷面變形特征曲線（SCC）3 部分（見圖2）。

圖2 井筒LDP、GRC、SCC 曲線

由圖2 可知：LDP 曲線中在井筒掘進(jìn)工作面下方A點(diǎn)位置徑向位移為0，對(duì)應(yīng)GRC 曲線A′點(diǎn)，井筒圍巖處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值為σ0；在該位置至井筒掘進(jìn)工作面及以上，圍巖開挖擾動(dòng)應(yīng)力逐漸增加，井筒圍巖徑向位移逐漸增大，但徑向應(yīng)力逐漸減小。如LDP 曲線中A點(diǎn)至掘進(jìn)工作面及其上方的B、C與D點(diǎn)，井筒圍巖徑向位移逐漸增大，對(duì)應(yīng)曲線GRC 中B′、C′與D′點(diǎn)，井筒圍巖徑向應(yīng)力/支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)力逐漸減小，即井筒圍巖徑向位移伴隨其應(yīng)力釋放過(guò)程；同時(shí)，LDP 曲線中B點(diǎn)位置所在位置為井筒掘進(jìn)工作面下方，對(duì)應(yīng)GRC 所在位置B′位于曲線彈性階段，而LDP 曲線中掘進(jìn)工作面所在位置點(diǎn)C對(duì)應(yīng)GRC 曲線所在位置C′已處于塑性階段，包括LDP 曲線中掘進(jìn)工作面上方位置D對(duì)應(yīng)GRC 曲線中的D′點(diǎn)同樣處于塑性階段，即井筒掘進(jìn)工作面下方一定范圍巖體受井筒開挖擾動(dòng)較小，擾動(dòng)應(yīng)力較小，圍巖處于彈性狀態(tài)，而隨著靠近井筒掘進(jìn)工作面，巖體受井筒開挖擾動(dòng)較大，擾動(dòng)應(yīng)力較大，井筒圍巖逐漸由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化。但井筒圍巖彈塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化位置相對(duì)于井筒掘進(jìn)工作面位置不定，此與豎井井筒尺寸、施工工藝、巖體力學(xué)性質(zhì)與地應(yīng)力等條件有關(guān)。應(yīng)針對(duì)不同工程問(wèn)題進(jìn)行具體分析，經(jīng)理論計(jì)算分析，新城金礦深豎井井筒掘進(jìn)工作面至襯砌混凝土井壁間距離提高至12 m。

3 新城金礦深豎井施工工藝優(yōu)化

為提高深豎井井筒穩(wěn)定，超前釋放積聚井筒圍巖積聚高應(yīng)力，通過(guò)提高襯砌斷面與井筒掘進(jìn)工作面間距離至8 m，輔以釋能支護(hù)，后進(jìn)行混凝土襯砌，可實(shí)現(xiàn)井筒處于“免承壓或緩低壓”狀態(tài)，保證井筒及其圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。由此對(duì)原豎井施工工藝進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)施工工藝見圖3，詳細(xì)如下：

圖3 改進(jìn)豎井井筒掘支工藝示意

（1）鑿巖裝藥：傘鉆懸吊于井筒中心位置，鑿巖進(jìn)尺4 m，按照傘鉆操作規(guī)程漸次完成傘鉆鑿巖工作；

（2）爆破通風(fēng)：放炮前，將吊盤提至安全高度（以40 m 為宜），全部人員升井撤出井口至安全距離以外后，按照規(guī)定程序進(jìn)行地表380 V 電起爆，放炮后，通風(fēng)排煙，持續(xù)時(shí)間30 min；

（3）出渣清底：采用中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖，渣石經(jīng)吊桶提升出井，經(jīng)翻渣裝置翻渣溜出井口外的渣石地坪；

（4）釋能支護(hù)：釋能支護(hù)采用錨網(wǎng)梁支護(hù)方式，樹脂錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為20 mm，間排距1.5 m，金屬網(wǎng)采用8#線制菱形網(wǎng)，雙筋條采用Φ8 mm 或Φ10 mm 鋼筋焊接，間隔為80 mm，長(zhǎng)度為3 m；

（5）立模澆筑：校正固定整體金屬下行模板，使模板底端距掘進(jìn)工作面間距離為4 m，然后澆灌混凝土，混凝土由地面攪拌站配制，采用底卸式吊桶下料，經(jīng)分灰器、溜灰管入模，入模后，采用振動(dòng)棒進(jìn)行分層振搗。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)豎井建設(shè)深度的增加，淺部豎井掘支工藝已不完全適用于深豎井建設(shè)。深豎井施工工藝的改進(jìn)與優(yōu)化，增大了深豎井掘進(jìn)工作面與混凝土井壁襯砌結(jié)構(gòu)之間的距離，采用釋能支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)未襯砌段井筒圍巖，使得井筒圍巖具有一定時(shí)間與空間進(jìn)行深井筒圍巖內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整和釋放，將深豎井井筒圍巖最大主應(yīng)力變小，高應(yīng)力區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。在深豎井掘支工藝優(yōu)化過(guò)程中并未考慮井筒圍巖應(yīng)力響應(yīng)的時(shí)間效應(yīng)，應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行校正。