金川龍首礦西二采區(qū)主井返修施工技術(shù)

袁國(guó)斌 楊志強(qiáng)， 高 謙 靳學(xué)奇

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌737100)

主副井是地下礦床堅(jiān)井開拓的控制性工程，是礦床開采的永久性工程［1］。礦山投入產(chǎn)后，井筒的變形破壞會(huì)給礦山正常生產(chǎn)帶來極大影響和嚴(yán)重威脅;為確保礦山安全生產(chǎn)，當(dāng)井筒在生產(chǎn)使用過程中發(fā)生變形破壞時(shí)，需要根據(jù)井筒的地質(zhì)條件以及地壓顯現(xiàn)特征，對(duì)井筒進(jìn)行返修加固［2］。國(guó)內(nèi)在堅(jiān)井工程的返修加固有許多成功的先例，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。金川二礦區(qū)14 行回風(fēng)井的成功返修，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)礦山豎井工程返修的先例［3-5］。陳廷學(xué)等成功地應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)祁東煤礦南風(fēng)井井筒連接處破壞進(jìn)行修復(fù)加固，取得良好的返修效果［6］。占仲國(guó)等針對(duì)某超深礦山豎井破壞，提出了鋼模板+鋼筋混凝土襯砌(內(nèi)模法)+錨桿(土釘封堵法)+錳鋼護(hù)筒(護(hù)筒跟進(jìn)法)的修復(fù)加固方案，是礦山豎井工程修復(fù)、加固另一成功案例［7-8］。采用注漿加固、預(yù)應(yīng)力錨索、錨注等聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)，對(duì)豎井變形破壞進(jìn)行的成功修復(fù)，為錨注技術(shù)在堅(jiān)井修復(fù)工程中的成功應(yīng)用提供了可以借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)［9-11］。

龍首礦西二采區(qū)主、副井是金川礦山西二采區(qū)貧礦開發(fā)利用的控制性工程，布置于礦體北部側(cè)翼。礦體埋藏深和地壓大，礦區(qū)地應(yīng)力高，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差［12］。由于主井工程在施工前未打工程地質(zhì)鉆孔進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探，在巖石力學(xué)條件不明的情況下進(jìn)行施工，由此給工程的穩(wěn)定性帶來潛在安全隱患。隨著井筒開挖深度增加，工程地質(zhì)條件惡化，深部圍巖具有明顯的斷層破碎帶特征，工程地質(zhì)條件極差。因此，在主井施工過程中，針對(duì)工程地質(zhì)條件的變化對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次修改。由于對(duì)該種復(fù)雜地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)的局限性，井筒施工結(jié)束后部分工程圍巖變形開裂。為了保證主井投產(chǎn)后長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)，開展了主井井筒的返修支護(hù)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究。

1 主井概況

1.1 工程概況

主井凈直徑為 φ5.3 m，凈斷面22.051 m2，井口標(biāo)高1 738.5 m，井底標(biāo)高1 063 m，井深675.5 m，最低運(yùn)輸中段為1 220 m。井筒內(nèi)設(shè)有1 120 m 馬頭門，1 165 m 大件道馬頭門，1 120 m 箕斗裝礦硐室，1 063 m粉礦回收馬頭門。

1.2 工程地質(zhì)條件

主井工程位于金川礦區(qū)F1、F2、F3斷層綜合影響帶內(nèi)(見圖1)，處于F1上盤和F3下盤，礦區(qū)圍巖比較破碎，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖1 主副井工程位置及斷裂構(gòu)造Fig.1 Main/auxiliary shafts location and fault structures

主井的工程地質(zhì)和穩(wěn)定性情況如下。

(1)主井工程上部?jī)?nèi)1 738 ～1 429 m 范圍內(nèi)309 m 長(zhǎng)的井筒，圍巖為Ⅲ～Ⅳ類巖石，地壓較小，裂隙水不豐富，地質(zhì)條件相對(duì)較好，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)主井1 429 ～1195.5 m 范圍內(nèi)233.5 m 長(zhǎng)的井筒圍巖為2 種巖性:上部是屬于Ⅳ類圍巖的條帶狀混合巖，穩(wěn)定性較差;下部為定性稍高花崗巖巖脈，由于圍巖埋藏深，地應(yīng)力大，穩(wěn)定條件變差。馬頭門及其影響范圍的井筒出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象，該段井筒整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)主井工程1 195.5 m 以下的132.5 m 井筒埋藏較深、地壓變大、地下水豐富，且該段井筒受1 165 m大件道馬頭門的影響，約60 m 長(zhǎng)的井筒范圍內(nèi)，存在潛在的長(zhǎng)期蠕變變形和長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題，井筒處于初期的臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 主井變形破壞和支護(hù)現(xiàn)狀

對(duì)井筒1 234 ～1 119 m 共115 m 井筒進(jìn)行變形測(cè)量。每個(gè)面按方位測(cè)量8 個(gè)點(diǎn)，共測(cè)量652 個(gè)點(diǎn)，變形點(diǎn)共計(jì)176 個(gè)，占測(cè)點(diǎn)的27%。井筒變形的區(qū)段主要集中在1 167 ～1 152 m、1 147 ～1 120 m。主井井筒支護(hù)與變形破壞概況見表1 所示。

表1 主井支護(hù)與變形破壞情況Table 1 Support and deformation failure conditions of main shaft

2 主井返修技術(shù)與施工方案

首先對(duì)井筒全深范圍的變形破壞情況進(jìn)行勘察，根據(jù)井壁破壞情況，確定以下幾個(gè)范圍的返修加固方案:①1 240 ～1 063 m 長(zhǎng)177 m 井筒;②1 220 m 馬頭門;③1 165 m 大件道馬頭門;④1 120 m 箕斗裝礦硐室;⑤1 063 m 粉礦回收馬頭門。根據(jù)變形破壞程度確定不同部位的加固支護(hù)方案，主井工程不同位置的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 主井不同位置的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.2 Support design parameters for different positions of main shaft

2.1 開口段返修支護(hù)

主井井筒返修采用從上至下施工方案。在井筒返修開鑿原井壁前，先對(duì)返修開口段上部25 m(1 240 ～1 265 m 段)的井壁先采取加固措施后，再進(jìn)行井筒返修工作。該范圍的井壁采用錨桿+錨索+錨網(wǎng)+壁后注漿的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行加固處理。特殊段采用錨桿加密的支護(hù)方法，錨桿規(guī)格φ18 mm×2 250 mm，網(wǎng)度0.2 m，呈梅花狀布置，采用δ=10 mm、S=200 mm×200 mm 的碟形托板+雙螺母(M20)緊固。網(wǎng)片采用φ6.5 mm 的圓鋼焊接，規(guī)格為2.2 m×1.2 m，網(wǎng)度75 mm×75 mm，金屬網(wǎng)須貼緊混凝土壁面。錨索采用φ15.2 mm 鋼絞線制作，長(zhǎng)度6 m，網(wǎng)度1.2 m;采用QLM 型錨索機(jī)，墊板規(guī)格δ=10 mm、S=250 mm×250 mm，加固后的井壁(或錨桿、錨索等突起處)與箕斗突出部位的間隙均不得小于350 mm。注漿錨桿采用φ32 mm×6 mm 無縫鋼管制作，長(zhǎng)度為3 m，排間距為2 m，注漿材料為雙液漿，水灰比1 ∶0.8，注漿時(shí)確定適當(dāng)?shù)膲毫?，以防壓力過大造成井壁破壞。

2.2 馬頭門返修支護(hù)

1 120 m 水平以上馬頭門原則上不再開鑿，進(jìn)行噴錨網(wǎng)+錨索加固處理，必要時(shí)進(jìn)行再澆注1 層300 mm 的雙層鋼筋混凝土。

對(duì)于1 120 m 箕斗裝礦硐室鑿掉原有支護(hù)體，重新澆注2 層雙層鋼筋混凝土，同時(shí)增加錨桿錨索支護(hù)，錨桿錨索露頭須與混凝土配筋牢固幫扎?？傊ёo(hù)厚度為1 000 mm，2 次各為500 mm，配筋參數(shù)要求與井筒部分相同，同時(shí)硐室內(nèi)空間比原設(shè)計(jì)預(yù)留100 mm 的放壓變形空間。該部分的混凝土澆注和鋼筋綁扎與井筒支護(hù)同時(shí)進(jìn)行，使井筒和硐室的支護(hù)成為一個(gè)整體以更好地抵抗圍巖應(yīng)力。

1 063 m 粉礦回收馬頭門返修時(shí)先鑿掉原有支護(hù)體，重新澆注雙層鋼筋混凝土，支護(hù)厚度為600 mm，配筋參數(shù):主筋為φ20 mm@200 mm，副筋為φ16 mm@250 mm，2 層之間的拉筋為φ8 mm@400 mm×500 mm。支護(hù)后保證設(shè)計(jì)尺寸。

2.3 返修區(qū)段的支護(hù)設(shè)計(jì)

返修區(qū)段為井筒1 240 ～1 063 m 的范圍，返修長(zhǎng)度177 m，采用2 次雙層鋼筋混凝土支護(hù)。1 次支護(hù)為100 mm 厚噴錨網(wǎng)支護(hù)，采用樹脂錨桿，錨桿的間排距為1 m×1 m，錨桿的規(guī)格為 φ18 mm、L=2 250 mm，樹脂錨桿全長(zhǎng)錨固，呈梅花形布置。網(wǎng)片采用φ6.5 mm 圓鋼制作，2 200 mm×1 200 mm，網(wǎng)度75 mm×75 mm，金屬網(wǎng)緊貼巖面。2 次支護(hù)為400 mm+600 mm 厚C60 雙層鋼筋混凝土支護(hù)?；炷僚浣顓?shù):主筋為 φ20 mm@250 mm，副筋為 φ16 mm@300 mm，2 層鋼筋之間的拉筋為 φ8@500 mm×600 mm，鋼筋搭接長(zhǎng)度為35d(d 為鋼筋直徑)，拉筋兩端彎鉤總長(zhǎng)度為12.5d。在澆筑混凝土?xí)r，所有鋼筋必須按設(shè)計(jì)綁扎成一個(gè)整體。

對(duì)返修段井壁返修前，應(yīng)先進(jìn)行注漿充填加固壁后圍巖(注漿錨桿布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體巖石情況自定，長(zhǎng)度1.2 m，具體發(fā)生量以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為準(zhǔn))之后再開鑿。開鑿井壁第1 模時(shí)按每4 m2施工1 個(gè)循環(huán)。井壁每分區(qū)鑿開刷夠尺寸后，先采用100 mm 的噴錨網(wǎng)支護(hù)接茬頂部及井壁，按此施工順序等整個(gè)段高施工完后，進(jìn)行外壁澆筑400 mm 厚的雙層鋼筋混凝土井壁，錨桿露頭應(yīng)與混凝土配筋牢固扎在一起。澆注混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60。等外壁澆注至返修段結(jié)束后，更換 φ5.4 m 吊盤和φ5.4 m 模板從下向上進(jìn)行內(nèi)壁澆注，內(nèi)壁澆注600 mm 的雙層鋼筋混凝土，澆注混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60。2 次澆注混凝土支護(hù)的總厚度為1 000 mm，井壁內(nèi)徑不得小于5 400 mm。

3 施工中存在的困難

(1)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)原始地質(zhì)編錄資料分析，主井在工程施工過程中，總共揭露出20 多條較大的構(gòu)造面。

(2)工程量大和工期緊。主井返修工程工期包括施工準(zhǔn)備、地表設(shè)施30 d，井筒修復(fù)工期300 d(按井筒修復(fù)工程量為177 m 計(jì)算)，共計(jì)330 d。井筒在返修到1 165 m 水平時(shí)，馬頭門對(duì)面井筒開裂發(fā)生了較大規(guī)模的圍巖垮落，被迫將返修方案變更為回填井筒后再向下施工，因此計(jì)劃工期被迫延長(zhǎng)。

(3)施工工藝復(fù)雜，安全和質(zhì)量管控難度大。主井返修工程既是井下作業(yè)，又屬于高空立體交叉作業(yè)(作業(yè)高差達(dá)190 m)，還要在井筒21 m2的空間內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)，施工安全管理與控制難度增大。主井返修工程施工工序繁雜，在實(shí)施爆破、除渣作業(yè)后，還要根據(jù)井筒、馬頭門不同的破壞程度和圍巖條件，采取以雙層噴錨網(wǎng)(砂漿、樹脂錨桿)、C60 鋼筋混凝土、槽鋼井圈、U 型鋼拱架、長(zhǎng)(短)錨索、錨注等優(yōu)化成不同的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行多次支護(hù)，地表高空施工作業(yè)等，因此施工工藝和工序復(fù)雜，組織難度高，造成施工安全質(zhì)量管控難度大。

4 主井返修過程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

4.1 返修過程中開展返修方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)1 120 m 以上馬頭門返修方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于破碎硐室改址，1 165 m 馬頭門不再承擔(dān)下大件的任務(wù)，但由于原馬頭門破壞較為嚴(yán)重，因此，該馬頭門返修不鑿掉原有支護(hù)體，僅在原有支護(hù)體外再澆筑1層300 mm 厚的雙層鋼筋混凝土。1 220 m 馬頭門破壞程度較輕，因此僅對(duì)已有馬頭門以噴錨網(wǎng)和錨索進(jìn)行加固。

(2)加強(qiáng)2 次雙筋混凝土之間黏接力的返修方案優(yōu)化。本次井筒返修采用2 次雙筋混凝土分段進(jìn)行，在第1 次井筒混凝土支護(hù)20 m 左右后，施工第2次雙筋混凝土。為防止1、2 次井筒混凝土之間發(fā)生整體脫落現(xiàn)象，對(duì)1、2 次混凝土支護(hù)進(jìn)行聯(lián)接，具體方法為在第1 次混凝土接茬之間打錨桿，錨桿間距1.7 m，錨桿長(zhǎng)度1.8 m，與外膜鋼筋采用勾連方式，前2 模每模1 排，之后加固間距3.8 m。

(3)馬頭門整體支護(hù)方案優(yōu)化。為了保證馬頭門與井筒的整體性，提高馬頭門的抗破壞能力，在馬頭門套灰時(shí)，井筒1 次支護(hù)到馬頭門地板以下1 模，隨后立即進(jìn)行井筒的2 次支護(hù)工作，井筒2 次支護(hù)鋼筋與馬頭門鋼筋連接成整體，并整體穩(wěn)模套灰，從而保證馬頭門的支護(hù)強(qiáng)度。

(4)1 165 m 馬頭門及以下井筒回填后返修方案優(yōu)化。主井原返修方案為不回填，利用吊盤采用懸空作業(yè)返修法，但當(dāng)返修至1 170 m 水平時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 165 m 附近及以下井壁混凝土發(fā)生了嚴(yán)重變形開裂，部分混凝土井壁及原巖垮落形成空洞，使得該部分和以下井筒100 m 混凝土基本失去承載能力，嚴(yán)重影響到施工安全。為了保證安全及防止垮落對(duì)上部近600 m井筒穩(wěn)定性造成不利影響，改原返修方案為對(duì)1 165 m 馬頭門及以下井筒回填后返修的方法。

4.2 成功配制出高強(qiáng)度混凝土并成功應(yīng)用

此次主井返修的主要目的是保證主井返修后的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，永久支護(hù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)均設(shè)計(jì)為C60。二礦區(qū)14 行風(fēng)井返修施工時(shí)率先引進(jìn)了BR型高性能混凝土復(fù)合劑以提高混凝土強(qiáng)度，首次成功配制出高強(qiáng)度混凝土并成功應(yīng)用，取得良好的效果［3］。根據(jù)澆注混凝土配合比設(shè)計(jì)原則及14 行回風(fēng)井的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了相關(guān)配比試驗(yàn)。試驗(yàn)配比及強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 主井返修混凝土試驗(yàn)配比及強(qiáng)度Table 2 Ratio and strength of main shaft repair concrete test

C60 澆注混凝土施工配合比試驗(yàn)應(yīng)用研究的實(shí)施與應(yīng)用，滿足了主井返修對(duì)澆注混凝土高強(qiáng)度的要求，確保了返修質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)取樣澆注試塊檢測(cè)，28 d強(qiáng)度達(dá)到62 MPa。C60 澆注混凝土7 d 強(qiáng)度可達(dá)40 MPa 以上，具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在主井修復(fù)施工過程中，大大加快了施工進(jìn)度。

4.3 采用控制爆破，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)

井筒的工程地質(zhì)條件差，破井壁使用控制爆破法，減少因爆破對(duì)井筒圍巖的震動(dòng)和避免超挖，同時(shí)保護(hù)井筒內(nèi)的施工設(shè)備。開鑿井壁第1 模時(shí)按每4 m2施工1 個(gè)循環(huán)進(jìn)行。爆破后采用人工使用風(fēng)鎬、手鎬等工具刷大，直至井筒荒徑符合設(shè)計(jì)要求。刷落的毛石直接落入井底，由布置在1 063 m 水平的P－30B 耙矸機(jī)裝上礦車，經(jīng)副井提升排出，避免了毛石運(yùn)輸對(duì)返修進(jìn)度的影響。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)井筒、馬頭門不同的破壞程度和圍巖條件采取以雙層噴錨網(wǎng)(砂漿、樹脂錨桿)、C60 鋼筋混凝土、槽鋼井圈、U 型鋼拱架、長(zhǎng)(短)錨索、錨注等優(yōu)化成不同的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行多次支護(hù)。在施工過程中開展返修方案與支護(hù)工藝優(yōu)化研究，根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整返修支護(hù)方案。聯(lián)合支護(hù)工藝和返修方案的不斷優(yōu)化研究，是主井成功返修的關(guān)鍵，可在同類工程中推廣應(yīng)用。

(2)自配的C60 高強(qiáng)度混凝土的成功應(yīng)用，為礦山設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)度澆注混凝土提供了豐富的設(shè)計(jì)依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。C60 具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在井下施工過程中，在一些關(guān)鍵部位，采用C60 澆注混凝土能夠大大加快施工進(jìn)度，為不良巖層下的井巷工程支護(hù)，提供了新的支護(hù)方法。

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