超深豎井建設(shè)基礎(chǔ)理論與發(fā)展趨勢

趙興東

(東北大學(xué)采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110819)

隨著地下金屬礦床開采深度的逐漸增加，“深井(部)開采”和“深豎井”兩個詞應(yīng)用的越來越廣泛。深井開采主要與巖石類型、應(yīng)力和初始巖溫等條件直接相關(guān)，判斷是否進(jìn)入深井開采，通?？紤]勘探、采礦、支護(hù)以及監(jiān)測的巖體力學(xué)參數(shù)、環(huán)境條件、開采和破巖以及人員、材料和巖石的轉(zhuǎn)運(yùn)等因素的特殊性，尤其是工程地質(zhì)條件、采掘技術(shù)、地壓控制和礦井通風(fēng)等差異性變化[1]。在南非，深井開采指礦山開采深度超過2 300 m，原巖溫度超過38 ℃的礦山[2]，超深井開采指其開采深度超過3 500 m的礦山。加拿大定義超深井開采礦山指在2 500 m以下既能保證人的安全，同時礦業(yè)公司能獲得經(jīng)濟(jì)效益的礦山[3]；近年來，作者通過對南非和加拿大等多個國家深井開采礦山進(jìn)行現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，巖爆等動力災(zāi)害、井下高溫以及采動地壓是深井開采礦山面臨核心難題，因此對于在深井開采礦山，應(yīng)系統(tǒng)研究采動應(yīng)力、回采順序，動態(tài)調(diào)控地壓、釋能支護(hù)、通風(fēng)制冷等關(guān)鍵理論與技術(shù)，同時還要考慮運(yùn)輸要求與礦山開采經(jīng)濟(jì)效益。為有效開采深部礦體，通常需要開鑿(超)深豎井。在我國，深豎井指礦井建設(shè)豎井深度在800～1 200 m，超深井是指礦井建設(shè)深度超過1 200 m深的豎井。

1 國外超深豎井建設(shè)現(xiàn)狀

目前，世界上開采深度超過2 000 m的礦山主要集中在南非、加拿大、俄羅斯等國家，其中南非有14個礦區(qū)開采深度超過2 000 m，部分礦山開采深度超過3 000 m[3]，在2015年，大約40%的金礦開采在 3 000 m以下。其中開采最深的礦山是位于南非金山盆地西部金礦田的Tau Tona金礦(采深3 900 m)、Savuka金礦(采深3 900 m)和Mponeng金礦(采深 4 500 m)3座姊妹礦，其中Tau Tona金礦在1957年開鑿2 000 m深豎井，于1962年投產(chǎn)，其井下原巖溫度達(dá)到60 ℃。開采深度超過3 500 m的礦山，主要有Kloof金礦、Western Deep Levels金礦、East Rand Proprietary 金礦(采深3 585 m)和Driefontein 金礦等[4]。2012年，在南非豪登省的South Deep金礦花費(fèi)7 a時間，投資50億美元，開鑿了世界上最深的豎井(井深2991.45 m)，將開采大約4.5億t金礦石。在北美，加拿大Falconbridge公司的Kidd Creek銅金礦開采深度3 120 m，采用下向深孔和上向水平充填采礦法，日礦石產(chǎn)量約7 000 t；加拿大Goldcorp的Red Lake開鑿2 195 m深豎井；加拿大Creighton礦開拓深度達(dá)2 550 m，采用下向深孔和上向水平充填采礦法，日產(chǎn)礦石量3 000～3 500 t[5]；加拿大Agnico-Eagle s公司的金礦開采深度3 048 m，其新4#豎井井底深度超過3 000 m，是世界上采用下向深孔空場嗣后充填法開采最深的礦山。美國北愛達(dá)荷的Hecla Lucky Friday鉛鋅礦，開鑿直徑5.5 m、深達(dá)2 900 m的豎井。在北歐開采最深的礦為芬蘭的Pyh?salmi礦，其開采深度為1 444 m；俄羅斯開采最深的礦山為Skalistaja(BC10)礦，其豎井提升深度為2 100 m；俄羅斯烏拉爾銅礦開鑿豎井深度為1 720 m，采用8繩落地摩擦式提升系統(tǒng)。在亞洲，印度的Kolar金礦區(qū)有3座金礦井采深超過2 400 m，其中Champion Reef金礦開拓112個中段，開采深度達(dá)到3 260 m，開采誘發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重巖爆災(zāi)害，致使該礦已停產(chǎn)關(guān)閉[6]。在澳大利亞，開采最深的礦山為昆士蘭的Mount Isa礦，開采深度為1 800 m。

從上述統(tǒng)計可以看出，世界上開采深度超過 2 000 m的礦山主要集中在南非和加拿大，在南非主要采用豎井和平巷開拓，采用充填法開采，在加拿大主要采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，機(jī)械化程度高，主要采用空場嗣后充填采礦方法及下向充填采礦方法。南非主要開采黃金、鉆石和鈾礦，在加拿大主要開采鎳、銅、金等貴重金屬，且其礦山品位都比較高，開采的礦石量不多，但其開采金屬量多，噸位礦石開采價值高，噸礦成本低。

2 國內(nèi)超深豎井建設(shè)現(xiàn)狀

在國內(nèi)，目前煤炭行業(yè)超過千米豎井達(dá)到55條井，金屬非金屬礦山在建和擬建井深超過1 000 m達(dá)到45條，在建或擬建開采深度超過1500 m的礦山主要有撫順紅透山銅礦、本溪思山嶺鐵礦、本溪大臺溝鐵礦、鞍山陳臺溝鐵礦、山東濟(jì)寧鐵礦、云南會澤鉛鋅礦、山東三山島金礦西嶺礦區(qū)、云南大紅山鐵礦、招金瑞海礦業(yè)、中金山東沙嶺金礦等。本溪思山嶺鐵礦礦體埋深達(dá)到2 000 m以上，為有效開采深部礦體，其共設(shè)計7條豎井進(jìn)行開拓，包含2條主井(1 505 m)、1條副井(1 503 m)、1條進(jìn)風(fēng)井(1 150 m)、1條措施井(1 320 m)、2條回風(fēng)井(1條1 400 m、1條1 120 m)[7]。遼寧大臺溝鐵礦在1號坑建1 250 m深探礦井[8]；云南會澤鉛鋅礦探礦3#明豎井，井口地平地表標(biāo)高+2 380 m，井底標(biāo)高+854 m，井深1 526 m，井筒斷面直徑為6.5 m，井下設(shè)4個馬頭門，井口段采用鋼筋混凝土支護(hù)，厚度1 000 mm，井筒段采用混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度400 mm，在豎井開鑿至1 400余m時，井壁產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，并出現(xiàn)大量涌水，嚴(yán)重影響井筒施工[9]。撫順紅透山銅礦七系統(tǒng)探礦工程，由 -827 m中段以下新開拓至-1 253 m中段，盲豎井井底深度已達(dá)1 600 m，在該盲豎井施工至1 400余m (-1 137 m)深時，井筒圍巖產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。三山島金礦西嶺礦區(qū)勘探出礦體多賦存于-700 m以下，在 -1 800 m深時礦體仍未封閉，其賦存深度達(dá)到 2 060.5 m，擬建2 005 m深豎井。中金集團(tuán)沙嶺金礦主井設(shè)計深度1 598.5 m，副井設(shè)計深度1 633.5 m。我國磁西、萬東和史村煤礦煤層埋深900～1 800 m，在磁西1#井建成1 320 m深豎井[10]。

綜上分析可以看出，南非在1952年開始建設(shè) 2 000 m深豎井，國外目前在建的豎井深度主要集中在2 500～3 000 m，而當(dāng)前我國已經(jīng)完成施工的千米以上豎井深度基本在1 200 m左右，隨著未來勘探技術(shù)水平的提高，深部礦體逐步被發(fā)現(xiàn)，在未來15～20 年，我國超深豎井建設(shè)深度主要集中在1 500～2 000 m；由此可以看出，在超深豎井建設(shè)方面，我國還處于初步發(fā)展階段，與國外相比具有一定的差距。國外深井采礦主要集中開采黃金、鉆石、鈾礦、鎳、銅等貴重、有色金屬，且其礦石品位高，盡管其開采規(guī)模都在 8 000 t/d左右，但其礦山利潤高；而我國深井開采主要開采鐵礦石、銅礦和黃金等，并且相比國外礦石品位低，需要大功率提升機(jī)與大斷面井筒、規(guī)?；_采來保證礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3 超深井筒圍巖應(yīng)力解析研究現(xiàn)狀

在高應(yīng)力、高承水壓力、高巖溫及非線性動荷載作用下，其深部巖體破壞與淺部巖體破壞有著本質(zhì)區(qū)別。由于超深豎井井筒圍巖地質(zhì)環(huán)境進(jìn)一步劣化，發(fā)生強(qiáng)烈非彈性破壞，致使井筒圍巖地壓顯現(xiàn)更加劇烈，出現(xiàn)諸如脆-延性轉(zhuǎn)化大變形、高應(yīng)力強(qiáng)流變、高巖爆風(fēng)險等破壞形式，動力擾動作用更加明顯。

井筒圍巖壓力是在豎井開挖過程，誘發(fā)井筒圍巖體和井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、破壞的基本作用力。對于井筒圍巖應(yīng)力分析的發(fā)展，大致經(jīng)歷了古典壓力理論階段、散體壓力理論和彈塑性壓力理論3個階段[11]。20世紀(jì)50年代以來，我國計算豎井井筒壓力主要應(yīng)用海姆公式(Heim A)、郎金(Rankine W J M)和金尼克理論對巖體內(nèi)的垂向自重應(yīng)力進(jìn)行估算，此3種理論對水平地應(yīng)力計算都由垂向地應(yīng)力乘以側(cè)壓力系數(shù)得到，垂向地應(yīng)力為上覆巖層容重(γ)與深度(h)的乘積，不同的是側(cè)壓系數(shù)的改進(jìn)和巖層厚度的取值范圍。由于當(dāng)時井筒埋深不大，曾一度認(rèn)為這些理論是正確的。

隨著井筒開挖深度的增加，逐漸發(fā)現(xiàn)古典壓力理論不符合實(shí)際情況，出現(xiàn)了許多新的井筒壓力計算理論。前蘇聯(lián)M.M.Ⅱротодьяконов(普氏)[12]認(rèn)為井壁壓力就是巖體極限平衡狀態(tài)的側(cè)壓力，適用于井筒淺部表土層中的壓力計算。前蘇聯(lián)Ⅱ.M.Цимбаревич(秦氏)理論[13]觀點(diǎn)與普氏相類似，只是不用加權(quán)平均的堅固系數(shù)，而是分層計算，在計算中將滑動體看作棱柱體，而實(shí)際是圓錐體或圓柱體，進(jìn)而導(dǎo)致其計算結(jié)果偏大。前蘇聯(lián)В.Г.Береэанцев的松散體極限平衡理論，將豎井井壁看作圓柱面，表土層開挖后，表土層內(nèi)的土體或破碎巖體向內(nèi)滑移，按空間軸對稱極限平衡方程求解得出井壁壓力。別林贊茨葉夫認(rèn)為井筒地壓大小并非沿著深度的增加而無限量增長，到一定深度后地壓最終趨于穩(wěn)定值。依據(jù)土力學(xué)中關(guān)于兩平行剛性墻間散體壓力的原理推導(dǎo)出夾心墻土壓力公式，適用于不含水或弱含水的表土層[14-15]。別林贊茨葉夫方法面向的是較深的地層，認(rèn)為地壓并非是隨井深增大而無限增大的，只能增加到某一數(shù)值。但這些井筒壓力理論沒有認(rèn)識到井筒圍巖塌落并不是形成圍巖壓力的唯一來源，圍巖壓力并不是松散壓力而是形變壓力，不能科學(xué)地分析井筒圍巖破壞范圍及其形成過程。

由于井筒圍巖的復(fù)雜性和散體理論分析不夠科學(xué)，必然導(dǎo)致基于工程類比的經(jīng)驗法廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代后，工程巖體分級由定性向半定量、由單因素向多因素綜合評價方向發(fā)展[16]，具有代表性的主要有RQD、Q、RMR、GSI巖體穩(wěn)定性分級，這些經(jīng)驗公式涉及的指標(biāo)較多，且這些指標(biāo)的選取存在很大的主觀性。1962年，Kastner認(rèn)識到井筒圍巖壓力主要是圍巖和巖體結(jié)構(gòu)之間的形變壓力。許多工程實(shí)踐表明，井筒圍巖進(jìn)入塑性，直至破壞狀態(tài)，必須考慮塑性問題和破壞問題來研究井筒圍巖的穩(wěn)定性。關(guān)于井筒圍巖應(yīng)力分布計算的模型很多，有的假設(shè)地層各項同性、均質(zhì)，基于線彈性理論推導(dǎo)井筒應(yīng)力分析模型；有的是基于井筒圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育等弱面結(jié)構(gòu)，分析井筒圍巖應(yīng)力分布特征。著名的芬納(Fenner)公式和卡柯(Caquat)公式均是應(yīng)用彈塑性理論和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[17-19]對圓形井筒進(jìn)行了分析。但芬納公式未考慮塑性區(qū)內(nèi)圍巖所受的垂直重力的影響，由此估算的塑性區(qū)半徑偏大。塑性巖體計算方法以及芬納公式和卡柯公式均考慮了井筒圍巖的彈塑性變形，應(yīng)用彈塑性理論分析較多，對深部硬巖和軟巖中井壁壓力不再適用。

在實(shí)際工程中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)井壁所受的壓力無論軸向和徑向都是極不均勻的。壓力不均勻使得井筒內(nèi)產(chǎn)生彎矩，進(jìn)而井壁內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使井壁產(chǎn)生裂紋最終破壞，造成不均勻壓力的原因是多種多樣的，例如地層構(gòu)造、巖石性質(zhì)不同、井筒壁后注漿等因素[20]。侴萬禧在分析受不均勻荷載作用下豎井井壁應(yīng)力和位移的基礎(chǔ)上，采用反分析方法對豎井井壁的外載進(jìn)行了相關(guān)研究[21-22]，文獻(xiàn)[22]認(rèn)為，立井井壁外表面非均布應(yīng)力呈橢圓形分布。王渭明等[23-24]分別在孫村煤礦千米進(jìn)風(fēng)井和石集煤礦立井進(jìn)行全深度的地壓監(jiān)測，得到井壁壓力沿井壁環(huán)向很不均勻，發(fā)現(xiàn)巖層傾角越大井筒橫截面上的地壓分布越不均勻，對豎井地壓分布影響顯著。在水平應(yīng)力為主的情況下，井筒軸向與最大主應(yīng)力方向夾角小時，井筒周邊受力較小且分布比較均勻；隨著水平應(yīng)力方向與井筒軸向夾角的增大，井筒圍巖受力也逐漸增大，且受力不均勻也逐漸顯現(xiàn)出來。由于井筒圍巖體處于三向受力狀態(tài)，通常此三向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，但對于不同的井筒斷面形狀和原巖應(yīng)力狀態(tài)下，在井筒圍巖也產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。沈海超通過對煤系地層煤巖和互層硬巖進(jìn)行地應(yīng)力量測，利用組合彈簧模型，反演得到煤層地應(yīng)力分布狀態(tài)。王渭明等[25-26]通過對兩立井圍巖壓力長期監(jiān)測，通過大量的測試數(shù)據(jù)分析，提出了超深立井圍壓壓力分布規(guī)律的量化參數(shù)和經(jīng)驗公式，給出了任意荷載作用下的井壁應(yīng)力函數(shù)，由實(shí)測圍巖壓力推出井壁應(yīng)力計算公式，并給出了井筒開挖端位移釋放函數(shù)。通過現(xiàn)場監(jiān)測地壓數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到多種形式的豎井地壓經(jīng)驗公式，這些經(jīng)驗公式具有實(shí)踐意義，也存在局限性，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)離散性較大，穩(wěn)定性差，公式缺乏理論依據(jù)。

因此，如何科學(xué)地量測和解析原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及其開鑿誘發(fā)的次生應(yīng)力的大小和方位，是確定井筒圍巖體工程力學(xué)屬性、井筒穩(wěn)定性分析、井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)超深井筒科學(xué)設(shè)計開挖的必要前提條件。

4 井筒斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于常規(guī)豎井?dāng)嗝嫘螤钸x擇，主要考慮礦井服務(wù)年限、通風(fēng)要求、地質(zhì)條件和建設(shè)成本等因素；豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)主要為矩形和圓形。早期淺埋豎井(深度小于600 m)斷面多采用矩形斷面井筒結(jié)構(gòu)，充分考慮井筒布設(shè)方向，在井筒圍巖應(yīng)力不大時，設(shè)計的矩形井筒斷面長軸方向垂直于礦體走向；當(dāng)井筒圍巖水平應(yīng)力較大時，其矩形井筒斷面結(jié)構(gòu)長軸方向與最大水平主應(yīng)力方向平行。隨著豎井開鑿深度的增加，井筒圍巖承受的自重應(yīng)力、附加應(yīng)力和最大水平應(yīng)力進(jìn)一步增加，在矩形井筒斷面拐角處產(chǎn)生高應(yīng)力集中，誘致井筒圍巖產(chǎn)生破壞，矩形斷面設(shè)計逐漸被淘汰，代之采用圓形豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)形式。

對于超深豎井而言，其井筒圍巖不僅受自重應(yīng)力、附加應(yīng)力的作用，同時在井筒深部，其井筒圍巖受水平地應(yīng)力(原巖應(yīng)力達(dá)到95 ～135 MPa)、重復(fù)荷載、爆破震動等疊加應(yīng)力作用，導(dǎo)致井筒開挖后，其圍巖承受的疊加應(yīng)力超過井筒圍巖強(qiáng)度時，致使井筒可能產(chǎn)生彈性變形、塑性破壞、甚至造成井筒圍巖失穩(wěn)破壞、坍塌、甚至發(fā)生巖爆災(zāi)害。由此可見，對于上述1 500～2 000 m超深豎井而言，其水平構(gòu)造應(yīng)力大，采用圓形井筒斷面結(jié)構(gòu)形式不能夠滿足要求，可設(shè)計井筒斷面結(jié)構(gòu)形式為橢圓型(圖1)，以滿足高應(yīng)力作用下井筒圍巖穩(wěn)定及其合理的斷面利用。通過對60 a來國際上豎井施工斷面形狀應(yīng)用統(tǒng)計，圓形和橢圓形(或近似橢圓形)豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)受力好，為目前國際上豎井設(shè)計的主要斷面選擇形式。

圖1 橢圓形或類橢圓形井筒斷面設(shè)計Fig.1 Elliptic structure design of shaft cross-section

對于超深豎井基巖段井壁壓力的計算：考慮到不同方向的水平地應(yīng)力不同(即側(cè)壓系數(shù)λ不同)，以最大主應(yīng)力方向為X軸，最小主應(yīng)力方向為Y軸，對于井筒某一深度，通過該深度的最小主應(yīng)力來確定最大塑性區(qū)范圍Rp。當(dāng)井筒向下開鑿時，隨著側(cè)壓系數(shù)λ的增大，沿井壁應(yīng)力分布越來越不均勻，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，井壁局部可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)域。因此，對于井筒斷面形狀設(shè)計可以采用外壁為橢圓，內(nèi)壁為圓的井壁結(jié)構(gòu)來調(diào)整井壁上的應(yīng)力分布，最大主應(yīng)力方向加大井壁厚度，維護(hù)井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5 復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

豎井掘進(jìn)到一定深度后，應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù)，以支承地壓、封堵涌水以及防止巖體風(fēng)化破壞，當(dāng)掘進(jìn)分段較高，為保證施工安全，必須及時進(jìn)行支護(hù)[27]。豎井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計主要取決于豎井服務(wù)年限、所穿巖層地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地應(yīng)力分布特征以及建設(shè)成本等。對于金屬礦山豎井井筒穩(wěn)定性維護(hù)而言，主要考慮井筒圍巖穩(wěn)固程度，在基巖段如果井筒穩(wěn)定性非常完好，通常不采取任何支護(hù)手段；如果井筒圍巖穩(wěn)定性差，將采取井筒加固技術(shù)控制井筒圍巖穩(wěn)定。最早采用木井框支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，但強(qiáng)度低，防火性差，僅用于中小型礦山[28]。20世紀(jì)50、60年代初，我國主要采用料石襯砌井壁，但由于其施工勞動強(qiáng)度大，效率低，漏水嚴(yán)重，目前很少使用。隨著錨桿噴射混凝土技術(shù)的問世及新奧法施工技術(shù)的發(fā)展，井筒采用噴射混凝土、錨噴支護(hù)及錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)維護(hù)井筒圍巖的穩(wěn)定，具有技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理及用途廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于豎井支護(hù)之中。據(jù)不完全統(tǒng)計，1995—2010年國內(nèi)采用錨噴支護(hù)的井筒[29-30]共計73個，井筒深度最大達(dá)1 127 m，井筒凈直徑最大為10 m。

與傳統(tǒng)支護(hù)相比，錨噴支護(hù)可減小支護(hù)厚度1/3～1/2，減小巖石開挖量10%～15%，節(jié)省全部模板及40%以上的混凝土，加快施工速度2～4倍，節(jié)約勞動力40%以上，降低支護(hù)成本30%以上。此外由于錨噴支護(hù)不需要模板，因而大大改善了勞動條件，減輕了勞動強(qiáng)度，為支護(hù)施工機(jī)械化創(chuàng)造了有利條件[31-32]。20世紀(jì)60年代至今，現(xiàn)澆混凝土砌壁的支護(hù)方式已經(jīng)發(fā)展為主要的井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，目前國內(nèi)使用此種支護(hù)方式的豎井已達(dá)95%以上?；炷翉?qiáng)度等級從C20發(fā)展到如今的C60，混凝土井壁襯砌厚度從400 mm增加到700 mm，從素混凝土井壁、纖維噴射混凝土發(fā)展為當(dāng)前的雙層鋼筋混凝土井壁。新設(shè)計的井壁襯砌方案顯然提高了井壁支護(hù)強(qiáng)度，確保了井壁支護(hù)安全可靠，但新設(shè)計的井壁結(jié)構(gòu)大大提高了井筒建設(shè)成本，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。近年來，為提高井筒襯砌效率，研發(fā)了適應(yīng)井筒混合施工作業(yè)工藝，設(shè)計并有效地應(yīng)用了高度3.5～5.0 m的強(qiáng)度大、立拆模速度快的金屬活動模板[33]，進(jìn)行了混凝土上料、計量、攪拌、輸料等機(jī)械化裝備開發(fā)，使用了大流態(tài)、高強(qiáng)、速凝等多種性能混凝士，促進(jìn)了我國豎井井筒的永久襯砌支護(hù)技術(shù)和工藝長足發(fā)展。

國外從20世紀(jì)50年代開展了解決采動和地表下沉對井壁的破壞作用的研究，德國于1958年由代爾曼哈尼公司在魯爾礦區(qū)的勝利號井，首次采用了柔性滑動井壁(AV井壁)，并經(jīng)受了幾十年的采動考驗。20世紀(jì)80年代，我國采用這種技術(shù)為開灤東歡佗副井設(shè)計了這種井壁。波蘭布埃斯礦安德哲提6號礦井在20世紀(jì)80年代，采用了一種雙層滑動井壁，井壁結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)、外壁混凝土結(jié)構(gòu)，中間夾有一層瀝青材料滑動層可以大大減輕地層豎向變形的影響。D.L.Mckay[34]分析和評估了一種淺井的支護(hù)系統(tǒng)。M.J.Medd[35]描述了在淺井或者中深井硬巖礦山通過巖柱保護(hù)豎井的情況。I.I.Malunhire[36]主要研究了南非深豎井噴射混凝土襯砌的情況。M.Sh.Shtein[37]主要研究分析了礦山豎井底部的應(yīng)力狀態(tài)。Zh.S.Akopyan[38]對礦山立井非對稱的破壞失穩(wěn)過程進(jìn)行初步的討論，得出了一些的研究成果。A.N.Guz[39]提出了豎井施工過程中的圍巖穩(wěn)定性分析的基本原理。S.A.Konstantinova和S.A.Chemopazov[40]用數(shù)學(xué)模型模擬分析了深井支護(hù)加固過程中的壓力變化。

對于超深豎井開鑿過程，其井筒支護(hù)仍然采用傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，不能有效控制井筒圍巖的穩(wěn)定，必須要充分考慮巖爆等誘發(fā)動力沖擊作用影響下井筒圍巖的穩(wěn)定。目前，在我國超深豎井建設(shè)過程中，云南會澤鉛鋅礦三期豎井建設(shè)過程中，其鑿井深度 1 526 m，在其開鑿至1 400 m左右時，井筒出現(xiàn)巖爆災(zāi)害、高承壓水災(zāi)害，嚴(yán)重阻礙井筒施工速度以及井筒長期穩(wěn)定；撫順紅透山銅礦深部七系統(tǒng)建設(shè)過程中，其開鑿盲豎井井底深度在1 600 m，在該盲豎井開挖至深1 400 m左右時，其井筒圍巖出現(xiàn)巖爆災(zāi)害。由此可見，在超深豎井建設(shè)過程中，在井筒支護(hù)設(shè)計中存在著不夠明確的安全貯備系數(shù)，井壁支護(hù)強(qiáng)度過大，造成工程上的浪費(fèi)，井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)過小，將影響井筒圍巖的長期穩(wěn)定，影響井筒使用壽命。

對于巖爆傾向性巖體支護(hù)基本原則為：在開挖誘發(fā)作用下，產(chǎn)生巖爆災(zāi)害，快速釋放能量沖擊井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)；在高速動力沖擊波作用下，其井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)亦能快速產(chǎn)生一定的形變，同時保持井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)不喪失支護(hù)強(qiáng)度，確保井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。此種井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)既具有高支護(hù)強(qiáng)度，充分提高和發(fā)揮圍巖自身承載力，與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成互相協(xié)調(diào)、互相作用的支承系統(tǒng)；同時又能確保在巖爆等動力沖擊波作用下能夠快速釋放巖爆產(chǎn)生的動能，確保井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。如果不進(jìn)行釋能支護(hù)處理，在巖爆等動力沖擊荷載作用下，直接沖擊井筒襯砌結(jié)構(gòu)上，將導(dǎo)致井筒襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，致使圍巖與襯砌不能形成相互協(xié)調(diào)作用的支承體系。

到目前為止，沒有一套比較成熟的、可供設(shè)計和施工單位使用的計算理論與方法設(shè)計井壁厚度，仍以工程類比法或者適用于淺部井筒圍巖應(yīng)力變形分析的理論和公式為主設(shè)計井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)，其設(shè)計的井壁結(jié)構(gòu)和參數(shù)比較保守，主要表現(xiàn)為井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、壁厚大，結(jié)果仍然免不了出現(xiàn)井壁開裂、破損等事故。因此，通過在新建超深豎井井筒建立多維數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，對井筒圍巖體長期連續(xù)進(jìn)行變形、應(yīng)力等監(jiān)測，充分掌握超深井筒圍巖體的應(yīng)力變形規(guī)律，借此推導(dǎo)不同應(yīng)力環(huán)境下，井筒圍巖-井壁結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理以及井壁承受荷載的能力，為超深井筒井壁結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是十分關(guān)鍵的。

6 超深豎井施工技術(shù)

隨著豎井建設(shè)深度的增加，豎井開鑿的難度也將越來越大，安全事故發(fā)生的風(fēng)險也在增加。超深井一次成井技術(shù)、超深豎井的提升、鑿巖技術(shù)、深孔爆破技術(shù)、裝巖技術(shù)、設(shè)備懸吊和井筒支護(hù)技術(shù)、綜合配套施工以及工作面高溫、巖爆高溫危害等問題將更加凸顯，對施工人員、設(shè)備的安全形成巨大威脅。

6.1 我國超深豎井建設(shè)存在的問題

隨著豎井建設(shè)深度的增加，豎井開鑿的難度也將越來越大，安全事故發(fā)生的風(fēng)險也在增加。超深井一次成井技術(shù)、超深豎井的提升、鑿巖技術(shù)、深孔爆破技術(shù)、裝巖技術(shù)、設(shè)備懸吊和井筒支護(hù)技術(shù)、綜合配套施工以及工作面高溫、巖爆高溫危害等問題將更加凸顯，對施工人員、設(shè)備的安全形成巨大威脅。近年來，因施工工藝不當(dāng)、地壓災(zāi)害防治不力、安全保障措施不到位等因素導(dǎo)致的深豎井施工事故頻繁發(fā)生，主要表現(xiàn)在：

(1)鑿井提升效率降低，安全風(fēng)險大大增加。常規(guī)千米級深豎井的提升安全保障技術(shù)已不完全適用于1 500～2 000 m超深豎井的施工，如何提高超深豎井建井提升效率，并保障提升安全是目前亟待解決的問題。

(2)井筒巖爆等地壓災(zāi)害的威脅更加嚴(yán)峻，使得井壁的破壞概率提高。例如撫順紅透山銅礦豎井井筒施工至-1 135 m水平時，井筒圍巖產(chǎn)生巖爆災(zāi)害；云南會澤鉛鋅礦在1 526 m深豎井施工時，其井筒施工至1 400 m左右中，井筒圍巖受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，造成井筒圍巖產(chǎn)生巖爆災(zāi)害，嚴(yán)重影響井筒的使用壽命，借此研究井筒地壓釋能支護(hù)技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

(3)豎井深部的高溫使作業(yè)面勞動條件惡化，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員健康安全。諸如思山嶺鐵礦地質(zhì)鉆孔勘查發(fā)現(xiàn)在井下1 503 m處其原巖溫度達(dá)40.1 ℃，紅透山銅礦井下溫度達(dá)到36 ℃，已大大超出人體能承受的范圍，深井建設(shè)過程的降溫技術(shù)研究亟待進(jìn)行。

(4)豎井信息化施工技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重滯后。我國豎井信息化施工技術(shù)還處于起步階段，關(guān)鍵技術(shù)仍待以解決。

(5)我國一次成井技術(shù)仍停留在傳統(tǒng)的掘支一次成井情況；國外深井建設(shè)一次成井包括掘、支、裝一次完成，在井筒施工中即應(yīng)用永久井架進(jìn)行施工，在豎井施工過程中，邊施工邊進(jìn)行井筒裝備，保證豎井施工質(zhì)量，亦解決豎井施工懸吊難題。

(6)非懸吊為主吊盤裝備研發(fā)迫在眉睫。目前我國豎井建設(shè)采用的三層吊盤，采用傳統(tǒng)的“九懸十八吊”方式，應(yīng)用多種穩(wěn)車控制吊盤、電纜、排水管、通風(fēng)管、溜灰管等施工輕裝備的運(yùn)行；研發(fā)非懸吊為主導(dǎo)軌式自驅(qū)技術(shù)，為超深豎井建設(shè)提供安全施工平臺尤為重要。

對于我國規(guī)模化深井建設(shè)而言，特別是對于 2 000 m超深豎井建設(shè)而言，需著重解決以下幾個核心理論和技術(shù)問題：①井筒斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論基礎(chǔ)；②綜合機(jī)械化快速鑿井技術(shù)；③高水平地應(yīng)力、高承水壓力、開挖擾動等復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論基礎(chǔ)及控制方法；④深井建設(shè)過程中降溫技術(shù)；⑤罐道及罐道梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計。

6.2 鑿巖爆破工作

目前對于金屬礦山豎井開鑿而言，國內(nèi)外主要采用全斷面控制爆破技術(shù)開鑿，盡量減少對井壁圍巖的破壞?，F(xiàn)有FJD系列傘形鉆架，配YGZ、YGA系列回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或者HYD型液壓鑿巖機(jī)，炮孔鉆鑿深度范圍3.2～5.5m，鉆孔直徑為42、45 mm 2種。由于鑿井工作面狹窄、鑿巖噪聲大(125～130 dB)、霧氣大，施工環(huán)境惡劣，長時間在井下工作，工人出現(xiàn)耳鳴、頭暈，嚴(yán)重可能造成失聰?shù)取?/p>

深孔爆破技術(shù)是井筒機(jī)械化混合掘砌施工的重要組成部分，采用爆破設(shè)計軟件設(shè)計爆破間排距、炮孔數(shù)目、掏槽形式、孔深、最小抵抗線等具體爆破技術(shù)參數(shù)，主要采用深孔微差爆破技術(shù)，減少爆破震動對井壁穩(wěn)定性的影響。對于5 m深鉆孔其單循環(huán)進(jìn)尺可以提高85%以上。

6.3 綜合機(jī)械化快速鑿井技術(shù)

豎井施工具有工序繁雜、工作面狹小、工作環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險大、通風(fēng)阻力大等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)豎井快速施工，首先要建設(shè)安全的工作平臺——吊盤。吊盤是豎井掘進(jìn)、砌壁和井筒設(shè)備安裝過程中的重要施工設(shè)備，它既作為工作盤為工人提供作業(yè)平臺，又作為安裝盤為各種鑿井設(shè)備(如：臥泵、水箱、混凝土分灰器和中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)等)提供安裝基礎(chǔ)。在立井施工過程中，經(jīng)常需要升降井筒中的吊盤，這是通過四臺穩(wěn)車共同收放其滾筒上的鋼絲繩來實(shí)現(xiàn)的。吊盤在升降過程中其盤面應(yīng)保持水平狀態(tài)，因為：①井筒內(nèi)空間狹小，井筒中除懸吊吊盤外，還鋪設(shè)各種管路，懸吊風(fēng)筒、吊泵等設(shè)備，若吊盤運(yùn)行中發(fā)生傾斜會導(dǎo)致吊盤與管路或懸吊的其他設(shè)備發(fā)生碰撞而造成設(shè)備損壞；②吊盤上有作業(yè)工人，若吊盤在升降過程中發(fā)生傾斜會危及工人人身安全，甚至導(dǎo)致工人墜入井底事故的發(fā)生；③吊盤在升降過程中若發(fā)生傾斜，易被井筒卡住，若穩(wěn)車?yán)^續(xù)運(yùn)行，會拉斷鋼絲繩，造成重大安全事故。多層吊盤設(shè)計及澆筑混凝土井壁設(shè)計示意見圖2、圖3。

在建井技術(shù)方面，國外深豎井建設(shè)主要采用一次成井，即掘、砌、安一次成井。國外深井建設(shè)采用永久井架，多層吊盤作為工作平臺，其多層吊盤層數(shù)高達(dá)10層，吊盤高度最高達(dá)150 m高，其吊盤懸吊采用4個穩(wěn)車；在吊盤的底部3層用于鑿巖、出渣、井壁襯砌，上部各層作為罐道及罐道梁井筒裝備；且其豎井施工過程中，充分利用深豎井建設(shè)多中段、多水平特點(diǎn)，在鑿井的同時，在上部開拓水平應(yīng)用馬頭門進(jìn)行上部中段開拓，大大縮短了礦山建設(shè)時間，同時確保深豎井的快速掘進(jìn)、安裝建設(shè)?，F(xiàn)場施工裝備示意見圖4。

圖2 鑿井用多層吊盤設(shè)計Fig.2 Multi-layer platform design for sinking shaft

圖3 多層吊盤澆筑混凝土井壁設(shè)計Fig.3 Multi-layer platform design for pouring concrete lining

圖4 豎井施工裝備Fig.4 Equipment of sinking shaft

目前，我國豎井建設(shè)，主要采用3層吊盤作為工作平臺，在吊盤的底部用于鑿巖、出渣、井壁襯砌，實(shí)現(xiàn)掘、砌、支一次成井技術(shù)，待豎井掘進(jìn)到底部后，拆除吊盤，再進(jìn)行永久井架、井筒裝備安裝。我國鑿井還是采取常規(guī)的“九懸十八吊”鑿井懸吊系統(tǒng)，對于深豎井開鑿而言，該懸吊系統(tǒng)復(fù)雜，很難滿足深豎井建設(shè)需求，同時，由于采取“九懸十八吊”鑿井懸吊系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)鑿井信息化管理。

由于新建礦山豎井?dāng)嗝娲螅壳皣鴥?nèi)鑿井吊盤仍為傳統(tǒng)的3層吊盤，其每層吊盤承載重量增加；在豎井開鑿過程中，如果吊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，吊盤重量變化將導(dǎo)致吊盤出現(xiàn)“跳盤”、左右扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，給鑿井施工帶來難題；大斷面豎井建設(shè)吊盤懸吊系統(tǒng)復(fù)雜，其建井穩(wěn)車高達(dá)16臺；吊盤作為鑿井工作平臺，鑿巖、爆破、裝巖、出渣、支護(hù)工作循環(huán)中，需要頻繁上下移動吊盤，由于懸吊系統(tǒng)復(fù)雜，致使各懸吊鋼絲繩受力不均勻，將出現(xiàn)個別應(yīng)力高的鋼絲繩出現(xiàn)“爆股”現(xiàn)象，如若不及時處理，將嚴(yán)重影響建井施工的安全?，F(xiàn)場吊裝吊盤圖片見圖5。

圖5 吊盤吊裝圖片F(xiàn)ig.5 Platform hoisting pictures

因此，研發(fā)一次成井鑿井系統(tǒng)—非懸吊分體式導(dǎo)軌自行吊盤裝備主要包括：大斷面下向深孔(5 m以上)控制爆破技術(shù)；大型液壓驅(qū)動中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)(1 m3)研發(fā)與應(yīng)用；大噸位吊桶(6 m3以上)高速運(yùn)行動態(tài)軌跡研究；研發(fā)集吊盤、傘鉆、抓巖機(jī)、模板智能化液壓中央控制系統(tǒng)；超深井快速施工配套技術(shù)及工序優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)超深豎井一次成井技術(shù)及鑿井信息化管理。

6.4 提升鋼絲繩

在整個提升系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是提升鋼絲繩的選擇。柔軟的鋼絲繩連接著整個復(fù)雜的工程系統(tǒng),整個提升和懸吊系統(tǒng)主要參數(shù)都受提升鋼絲繩制約——鋼絲繩的自重和提升深度。鋼絲繩選擇主要考慮：鋼絲繩結(jié)構(gòu)、質(zhì)量要求、機(jī)械特性和公差。

當(dāng)前，對于深豎井提升而言，有以下幾個問題需要解決：①如何提高深井提升效率；②鋼絲繩的承載能力限制豎井的提升能力；③高效能提升機(jī)的技術(shù)障礙(800～1 000 t/h)；④單位提升重量下能量消耗高，比理論計算值高2.2～2.4倍；⑤自動和手動循環(huán)運(yùn)行模式的復(fù)雜性，動力荷載對施工和維修的承重構(gòu)件，可靠性低；⑥對于安裝大的構(gòu)筑物所要求的空間、復(fù)雜設(shè)計，基建工程和運(yùn)行的復(fù)雜性和持續(xù)性，可靠度不高；⑦礦井機(jī)房和提升機(jī)房的難操縱性和復(fù)雜性?？偠灾?，采用鋼絲繩提升，從工程意義上講嚴(yán)重阻礙提升效率，因此，研發(fā)非鋼絲繩提升系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。

7 結(jié) 論

系統(tǒng)總結(jié)了深井開采與超深井建設(shè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，針對國內(nèi)外超深豎井建設(shè)存在的問題，提出相應(yīng)的解決方案，得出以下結(jié)論：

(1)為有效提高井筒斷面利用率，提出(類)橢圓形井筒斷面形狀設(shè)計。

(2)針對超深井筒所處的復(fù)雜應(yīng)力條件及其誘發(fā)的高巖爆風(fēng)險區(qū)域，提出釋能井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(3)系統(tǒng)介紹了多層吊盤施工特點(diǎn)，研發(fā)非懸吊式吊盤的必要性。

(4)針對鋼絲繩提升的限制，研發(fā)非鋼絲繩提升系統(tǒng)，解決超深豎井提升難題。

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