林健華，黃 敏，溫 晨，饒帝軍

（1. 塞爾維亞紫金礦業(yè)有限公司，塞爾維亞 博爾 19204；2. 紫金（長(zhǎng)沙）工程技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；4. 紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200）

0 引言

20世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展也伴隨著不間斷的大規(guī)模資源開(kāi)發(fā)，隨著淺層資源的枯竭，礦山開(kāi)采向著地球深部發(fā)展[1-2]。作為礦井“咽喉”的井筒[3]是人員、設(shè)備、材料運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ繹4]。深部礦山的豎井穿過(guò)地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套完整的設(shè)計(jì)施工成果可以借鑒[5]。在國(guó)內(nèi)外深部礦山豎井的施工過(guò)程中，井壁的開(kāi)裂、垮塌現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，針對(duì)井壁修復(fù)治理難題，工程技術(shù)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(kāi)卸壓槽為主、井圈加固和注漿為輔的綜合治理技術(shù)方案[7]，“注、固、卸”綜合修復(fù)治理方案[8]等多種井筒井壁修復(fù)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(lèi)方法并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。為此，王金淑[12]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了巖體的膨脹力、膨脹應(yīng)變的回歸方程，為工程提供理論計(jì)算依據(jù)；陳釩等[13]通過(guò)數(shù)值模擬分析膨脹性軟破巖層走向?qū)λ淼赖挠绊?，提出了局部加固的襯砌方案。此外，復(fù)雜環(huán)境下的深豎井施工也是一大難題。在以構(gòu)造應(yīng)力為主的深部礦山，水平應(yīng)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(hù)形式[14-17]。對(duì)于如何維持深豎井所穿過(guò)的復(fù)雜多變的巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定性也是學(xué)者們討論的熱點(diǎn)，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了井筒在不同巖性圍巖中的穩(wěn)定性并給出支護(hù)的對(duì)策[18-22]。

國(guó)內(nèi)外的工程師和學(xué)者們?cè)谂蛎浶攒浧茙r層的研究主要集中在隧道工程上，而對(duì)于井筒支護(hù)和修復(fù)方案的研究相對(duì)較少。尤其是針對(duì)超千米深豎井在膨脹性泥灰?guī)r施工和支護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)非常有限。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)國(guó)外某銅金礦山風(fēng)井井壁兩次破裂的情況，設(shè)計(jì)了修復(fù)方案。同時(shí)，對(duì)施工地點(diǎn)的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)查，并根據(jù)不同巖石的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)圍巖進(jìn)行了分級(jí)。最終，提出了相應(yīng)的施工和具體支護(hù)方案，以指導(dǎo)后續(xù)井筒的施工工作。

1 工程概況

境外某銅金礦主要賦存三個(gè)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(guī)整橢球狀產(chǎn)出，屬于斑巖型礦床，其規(guī)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(biāo)高平均地溫40 ℃，地溫梯度2.25 ℃/100 m。根據(jù)礦山實(shí)際施工水平及井下開(kāi)采技術(shù)條件，一期工程設(shè)計(jì)開(kāi)采規(guī)模為14.85 Mt/a。一期工程主要包括雙箕斗主井、大副井、1#進(jìn)風(fēng)井、1#回風(fēng)井、2#回風(fēng)井、出礦水平、拉底水平、回風(fēng)水平、有軌運(yùn)輸水平、水泵房、中央變電所及各類(lèi)硐室、采切工程等?；ㄆ诰锕こ塘窟_(dá)1.06×106m3，中深孔拉底工程量達(dá)9×104m3。一期工程總基建工程量合計(jì)1.15×106m3，基建期為5 a。該銅金礦下部礦帶1#進(jìn)風(fēng)井井筒設(shè)計(jì)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(hù)，井筒段1081 m，采用素混凝土支護(hù)；其中，1#進(jìn)風(fēng)井工勘孔TC210663的鉆孔巖芯表明，1#進(jìn)風(fēng)井0～361.6 m為中世紀(jì)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(jìn)風(fēng)井于2022年6月1日開(kāi)始井筒下掘，至2022年10月20日施工200 m深度以下時(shí)，其巖性變?yōu)榕蛎浶阅嗷規(guī)r，呈灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾雜微小礫石，巖性強(qiáng)度極低，手可捻碎，遇水泥化軟化，具有較強(qiáng)的膨脹性，自穩(wěn)性差，井壁圍巖揭露后4 h左右開(kāi)始出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，施工期間出現(xiàn)了兩次井壁破裂現(xiàn)象。第一次井壁破裂發(fā)生在2022年10月22日，當(dāng)施工至224.4～228.8 m深度，施工隊(duì)伍放炮出碴至3.5 m左右段高時(shí)，井壁脫模后發(fā)生垮塌，井筒東北側(cè)井壁壁后不斷冒落、塌空；塌空區(qū)尺寸為長(zhǎng)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(fā)生在2022年12月29日，當(dāng)施工至333.8～336.3 m深度時(shí)，井壁混凝土受膨脹性軟破巖層的不均勻壓力擠壓后出現(xiàn)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(guò)50 cm，形成一個(gè)三角區(qū)域的貫通裂縫，同時(shí)井壁混凝土出現(xiàn)掉塊現(xiàn)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(jī)理

1）水侵泥化作用。井筒在深度超過(guò)200 m后，圍巖由膨脹性泥灰?guī)r組成，節(jié)理裂隙發(fā)育且強(qiáng)度極低，容易受到水泥化軟化的影響而變得更加脆弱，同時(shí)具有較強(qiáng)的膨脹性。在施工過(guò)程中，當(dāng)井筒施工深度達(dá)到220 m時(shí)遇到了含水層，含水量豐富。由于膨脹性泥灰?guī)r遇到水泥化反應(yīng)發(fā)生膨脹，在施工過(guò)程中產(chǎn)生了局部破壞，并最終導(dǎo)致了整體的破裂垮塌現(xiàn)象。

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

3）爆破振動(dòng)擾動(dòng)作用。從整體上看，井筒在施工過(guò)程中反復(fù)受到爆破振動(dòng)的擾動(dòng)，部分區(qū)域壁后已經(jīng)泥化的巖層反復(fù)受到爆破振動(dòng)影響，塌陷形成較大范圍空區(qū)，井壁失去支撐作用而發(fā)生垮塌。

通過(guò)綜合分析該風(fēng)井井壁兩次破裂的原因可知，第一次破裂是膨脹性泥灰?guī)r遇水泥化，強(qiáng)度降低且節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在爆破振動(dòng)作用下壁后巖層塌陷使得井壁環(huán)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(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力的綜合作用超過(guò)了井壁自身的強(qiáng)度而發(fā)生破裂。

3 超深井壁修復(fù)

該銅金礦經(jīng)歷了兩次嚴(yán)重的井壁破裂事件，豎井掘進(jìn)、出渣、澆筑等班組都在有限的豎井空間內(nèi)作業(yè)，井壁破裂的高空墜物風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的人身安全。針對(duì)兩次井壁破裂的不同情況，首先，對(duì)常見(jiàn)的修復(fù)治理方法進(jìn)行了分析；然后，根據(jù)治理設(shè)計(jì)原則和礦山技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件制定了破裂井壁修復(fù)治理方案。

3.1 井壁常見(jiàn)修復(fù)方法

1）井圈加固法[23]。井圈加固法指的是采用槽鋼井圈對(duì)井壁加固，以控制突發(fā)性井壁破裂情況的進(jìn)一步發(fā)展，該方法屬被動(dòng)支護(hù)，可以短期約束井壁的徑向變形，但長(zhǎng)此以往井壁的變形也會(huì)逐漸增大到無(wú)法控制的程度；此外，還要考慮到加固后的井壁內(nèi)徑是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）注漿加固法。注漿加固法也是常見(jiàn)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(guò)在壁后注漿在井筒周?chē)纬勺{帷幕，改善圍壓力學(xué)特性，但其加固范圍較小不能作為長(zhǎng)期治理的方法；地面注漿從地表對(duì)疏排水層進(jìn)行注漿充填孔隙而提高其自身的承載能力，但對(duì)于深井注漿成本較高，且對(duì)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(kāi)切環(huán)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(yīng)力釋放，降低井壁所受到的直接應(yīng)力，該方法是最簡(jiǎn)單也是應(yīng)用最為廣泛的方法。

3.2 井壁修復(fù)原則

1）一“讓”二“抗”[24]。“讓”指的是應(yīng)用一定的技術(shù)（如卸壓槽法）釋放井壁所受到的應(yīng)力，避免井壁結(jié)構(gòu)的直接破壞；“抗”指的是增大井壁的強(qiáng)度質(zhì)量（如環(huán)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(qiáng)度設(shè)計(jì)原則。該原則指的是通過(guò)采用槽鋼加固、高強(qiáng)度混凝土多種手段加固井壁的方法，確保修復(fù)后復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等于原鋼筋混凝土井壁的設(shè)計(jì)強(qiáng)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(nèi)徑縮小，因此，井壁修復(fù)工程中，在確保井筒的安全間隙、支護(hù)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)擴(kuò)大槽鋼的內(nèi)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(kāi)一個(gè)環(huán)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(fù)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(jié)理裂隙發(fā)育，同時(shí)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(dǎo)致井壁環(huán)向受力不均勻。井壁模板脫模后，素混凝土井壁局部應(yīng)力失衡，導(dǎo)致井壁混凝土形成裂縫，并逐步擴(kuò)展，最后垮塌。對(duì)此制定如下井壁破裂治理方案。①排水。豎井內(nèi)下放廢油桶，桶內(nèi)放入用直徑55 cm無(wú)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(pán)中盤(pán)水箱，再由MD45-80×9臥泵通過(guò)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(guò)主提升、副提升兩個(gè)6 m3底卸式吊桶下放。③塌空區(qū)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(duì)壁后塌空區(qū)澆灌混凝土，混凝土強(qiáng)度為C35。由于塌空區(qū)上部為穹頂狀，混凝土充填無(wú)法接頂，故采用噴射混凝土分層接實(shí)。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(zhì)量，故采用風(fēng)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(hù)。井壁鑿除完成后，綁扎2.5 m段高雙層鋼筋澆筑混凝土，環(huán)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(lèi)推，從上往下雙層鋼筋混凝土支護(hù)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(fù)治理

第一次井壁破裂約兩個(gè)月后，出現(xiàn)第二次井壁破裂，主要原因是掘進(jìn)至333.8～336.3 m深度時(shí)，巖石為膨脹性泥灰?guī)r，井壁揭露后4 h遇水開(kāi)始出現(xiàn)膨脹，井幫圍巖每小時(shí)膨脹速度達(dá)180～260 mm，豎井底板圍巖出現(xiàn)上漲底鼓現(xiàn)象，每小時(shí)上漲速度達(dá)150～200 mm。為保證掘進(jìn)斷面及模板落模高度，反復(fù)二次刷幫掘進(jìn)、三次刷幫掘進(jìn)。在一個(gè)循環(huán)掘進(jìn)施工長(zhǎng)達(dá)3 d后，井壁在采用超前管棚支護(hù)情況下，掘進(jìn)面超前管棚仍產(chǎn)生整體嚴(yán)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(shí)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(fā)展至上一模331.3 m處，在多重應(yīng)力作用下局部井壁被擠壓出來(lái)出現(xiàn)掉砼現(xiàn)象。針對(duì)此情況，結(jié)合第一次井壁修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，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(qū)壁后充填、拆模與碎石回填、井壁鑿除、雙層鋼筋支護(hù)工序與第一次井壁破裂治理方案一致，但為了進(jìn)一步應(yīng)對(duì)膨脹性軟破巖層（泥灰?guī)r）的強(qiáng)膨脹性，在此基礎(chǔ)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(duì)膨脹性軟破巖層作用，回填碎石前在吊盤(pán)上層盤(pán)施工截水槽，將上部井壁淋水歸流至吊盤(pán)水箱內(nèi)，通過(guò)排水管排至地表。②錨噴支護(hù)。井壁混凝土破除完成后，在確保井幫支護(hù)厚度大于500 mm的情況下，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，采用的樹(shù)脂錨桿規(guī)格為直徑Φ22 mm×長(zhǎng)2400 mm，間排距1 m×1 m，梅花型布置，全長(zhǎng)錨固。單層鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為6.0 m×2.1 m，網(wǎng)度100 mm×100 mm。③卸壓槽。綁扎鋼筋前，在井幫周圈開(kāi)挖兩圈梅花型布置的卸壓槽，每圈6個(gè)矩形卸壓槽，每個(gè)卸壓槽均放置泡沫板，每塊泡沫板長(zhǎng)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(gè)緩沖區(qū)，從而減少膨脹壓力對(duì)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(guò)膨脹性軟破巖層施工及分級(jí)支護(hù)方案

通過(guò)總結(jié)1#進(jìn)風(fēng)井兩次井壁破裂經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本工程具體情況，進(jìn)一步分析了水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件，制定了豎井過(guò)膨脹性軟破巖層圍巖分級(jí)表（表1）。通過(guò)分析豎井施工過(guò)程中可能遇到的圍巖條件，并為其劃分施工等級(jí)，可以在后續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中為工程技術(shù)人員選取恰當(dāng)?shù)膰鷰r支護(hù)措施提供依據(jù)。根據(jù)圍巖揭露情況確定安全合理的支護(hù)方式，給出了不同等級(jí)圍巖所采用的具體施工方案。

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

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

2）過(guò)Ⅳ級(jí)圍巖施工、支護(hù)方案。Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖大范圍破碎、自穩(wěn)性較差，巖層具有膨脹性時(shí)，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(shí)支護(hù)：采用超前管棚+噴漿支護(hù)或超前管棚+錨網(wǎng)支護(hù)；超前管棚管徑Φ48 mm，長(zhǎng)度4 m，間距40～50 cm，外插角度8°～14°，鋼管外露長(zhǎng)度不小于0.4 m，素噴漿厚度50 mm，噴砼強(qiáng)度C25。錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)：直徑Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度1～3 m，樹(shù)脂錨固劑，全長(zhǎng)錨固。③永久支護(hù)：采用C45素混凝土支護(hù)，加大井壁壁厚至600 mm。

3）過(guò)Ⅴ級(jí)圍巖施工、支護(hù)方案。Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖大范圍極破碎、自穩(wěn)性極差，巖層具有強(qiáng)膨脹性時(shí)，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(shí)支護(hù)：超前管棚+錨噴支護(hù)；超前管棚管徑Φ48 mm，長(zhǎng)度4 m，間距30～40 cm，外插角度8°～14°，鋼管外露長(zhǎng)度不小于0.4 m，錨網(wǎng)噴漿厚度100 mm，強(qiáng)度C25。錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)：直徑Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度1～3 m，樹(shù)脂錨固劑，全長(zhǎng)錨固。③永久支護(hù)：采用C45雙鋼筋混凝土支護(hù)，井壁壁厚至600 mm。環(huán)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(pán)上層盤(pán)施工截水槽將上部井壁淋水歸流至吊盤(pán)水箱內(nèi)，通過(guò)排水管排至地表。綁扎鋼筋前，在井幫周圈布置卸壓槽并預(yù)埋導(dǎo)水管。

5 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)兩次井壁破裂修復(fù)后一段時(shí)間的觀察，修復(fù)處未出現(xiàn)井壁裂縫及漏水的情況，可以認(rèn)為兩次井壁修復(fù)方案應(yīng)用效果較好，滿(mǎn)足施工安全要求，達(dá)到了預(yù)期。

此外，1#進(jìn)風(fēng)井在后續(xù)不同圍巖級(jí)別掘砌過(guò)程中，根據(jù)上文所提不同巖性豎井施工及分級(jí)支護(hù)方案進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證（Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖采用對(duì)應(yīng)支護(hù)方案后的支護(hù)效果如圖6～圖8所示），在工期、質(zhì)量、安全三個(gè)方面都取得了良好效果。

圖6 III級(jí)圍巖超前管棚臨時(shí)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig. 6 Field application of temporary support of advanced pipe shed in grade III surrounding rock

圖7 IV級(jí)圍巖超前管棚+噴漿臨時(shí)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig. 7 Field application of temporary support of advanced pipe shed and shotcrete in grade IV surrounding rock

圖8 V級(jí)圍巖超前管棚+錨噴+雙層鋼筋+卸壓槽+截水槽聯(lián)合支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖為例，在未采用超前管棚等支護(hù)形式前，由于膨脹性圍巖極易垮塌、應(yīng)力明顯，同時(shí)不斷反復(fù)處理膨脹性圍巖，處理難度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易疲勞作業(yè)；每2.5 m段高掘砌循環(huán)需30 h以上。采取上述圍巖分級(jí)支護(hù)方案后，支護(hù)措施更有針對(duì)性，最終，Ⅲ級(jí)圍巖每個(gè)循環(huán)（4.5 m段高）掘砌時(shí)間僅需28 h；Ⅳ級(jí)圍巖每個(gè)循環(huán)（2.5 m段高）掘砌時(shí)間僅需18 h；Ⅴ級(jí)圍巖每個(gè)循環(huán)（4.5 m段高）掘砌時(shí)間僅需20 h，對(duì)整個(gè)豎井掘砌工期有較大提升。

2）安全、質(zhì)量方面。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，1#進(jìn)風(fēng)井77 m以下僅為素混凝土，而素混凝土無(wú)法有效應(yīng)對(duì)膨脹圍巖、復(fù)雜應(yīng)力的作用，井壁出現(xiàn)了兩次不同程度的破裂、垮塌，井壁施工后存在較大的質(zhì)量問(wèn)題；同時(shí)，在施工過(guò)程中，圍巖易片幫、垮塌，井壁破裂，對(duì)施工人員安全存在較大的威脅。采取上述圍巖分級(jí)支護(hù)方案后，超前管棚起到臨時(shí)支護(hù)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(guò)對(duì)1#進(jìn)風(fēng)井井壁較長(zhǎng)時(shí)間的觀察，未再出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，可為礦山長(zhǎng)達(dá)50 a的服務(wù)年限提供有力保障，產(chǎn)生了巨大的安全效益及社會(huì)效益。

6 結(jié) 論

特殊的地質(zhì)環(huán)境、地下水及膨脹性泥灰?guī)r等軟破巖層是1#進(jìn)風(fēng)井井壁破裂的最主要因素。在開(kāi)展井壁破裂修復(fù)治理后，該豎井井壁并未再出現(xiàn)裂縫及漏水現(xiàn)象，表明修復(fù)治理效果良好。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了水文地質(zhì)條件及工程地條件，提出了豎井施工及分級(jí)支護(hù)方案以指導(dǎo)后續(xù)施工。

1）超前管棚支護(hù)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(qū)向上發(fā)展擴(kuò)大。

2）錨噴支護(hù)可充分發(fā)揮圍巖自支撐能力，確保井筒施工作業(yè)人員安全；噴砼可封閉圍巖，減少膨脹性泥灰?guī)r暴露時(shí)間，減弱軟巖膨脹對(duì)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(hù)，可為井壁提供相對(duì)足夠的卸壓空間與泄壓時(shí)間，防止混凝土支護(hù)開(kāi)裂破壞，保證支護(hù)質(zhì)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(yù)埋導(dǎo)水管、階段性壁后注漿等措施作用突出。

國(guó)內(nèi)外千米深豎井通過(guò)膨脹性軟破巖層（泥灰?guī)r）施工、支護(hù)方案可借鑒經(jīng)驗(yàn)極少。通過(guò)上述施工、支護(hù)技術(shù)措施，1#進(jìn)風(fēng)井井壁兩次修復(fù)效果較好，并且根據(jù)提出的施工及分級(jí)支護(hù)方案，井筒順利通過(guò)厚度超過(guò)500 m的不良巖層，為膨脹性軟破巖層中的深豎井掘進(jìn)施工積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的借鑒意義。