石碌鐵礦2#主溜井大面積垮幫的修復(fù)

范慶霞 孫紅專

（1.海南礦業(yè)股份有限公司；2.湖南楚湘建設(shè)工程集團(tuán)有限公司）

石碌鐵礦是一個(gè)露天開(kāi)采轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山，設(shè)計(jì)采選綜合生產(chǎn)能力為480萬(wàn)t/a，由2條主井擔(dān)負(fù)礦巖提升的任務(wù)，其中，2#主井擔(dān)負(fù)2#主溜井下放礦石的提升任務(wù)，設(shè)計(jì)提升能力380萬(wàn)t/a。主溜井下放礦石、主井提升礦石是地下礦山生產(chǎn)的瓶頸，主溜井下放礦石順暢與否直接影響主井提升能力，其主要影響因素為主溜井完好率、主溜井直徑及粗糙度、主溜井放礦口尺寸、礦石塊度組成、礦石含水率等。當(dāng)主溜井出現(xiàn)垮幫現(xiàn)象時(shí)，將會(huì)造成主溜井堵塞或放礦不暢，通常要求主溜井應(yīng)選擇在巖石堅(jiān)固且無(wú)破碎構(gòu)造的區(qū)域。如果前期地質(zhì)工作不充分，在主溜井施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有巖石軟弱或破碎構(gòu)造時(shí)，應(yīng)采取可靠的加固措施避免下放礦石對(duì)主溜井沖擊和磨損。礦山2#主溜井自2017年7月15日投入運(yùn)行，至2019年6月3日累計(jì)提升礦石186萬(wàn)t，在使用過(guò)程中出現(xiàn)了大范圍垮塌現(xiàn)象，造成-420 m放礦口頻繁卡堵大塊巖石，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)，因此礦山?jīng)Q定停產(chǎn)修復(fù)主溜井。

1 石碌鐵礦主溜井現(xiàn)狀

1.1 主溜井施工現(xiàn)狀及使用情況

2#主溜井井口標(biāo)高為-120 m、井底標(biāo)高為-360 m、井筒凈直徑為4.5 m，因2#主溜井所處區(qū)域有破碎斷裂構(gòu)造通過(guò)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較為破碎，在施工階段對(duì)井筒進(jìn)行了加固處理，其中，-120~-128 m采用外掛錳鋼板雙層鋼筋混凝土加固；-128~-151 m采用雙層鋼筋混凝土錳鋼板加固，支護(hù)厚度為600 mm；-151~-175 m采用錨網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度為150 mm；-175~-206 m采用噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)+鋼纖維混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度為1 200 m；-206 m以下采用錨網(wǎng)噴射混凝土（或素噴射混凝土）支護(hù)，支護(hù)厚度為100 mm。圖1為石碌鐵礦井底車場(chǎng)平面布置圖。

2#主溜井投入使用后，2018年3—4月鄰近溜槽段發(fā)生較嚴(yán)重的錳鋼板脫落現(xiàn)象，且錨固螺栓隨錳鋼板一并拔出，在錳鋼板脫落處鋼筋混凝土井壁被破壞，出現(xiàn)鋼筋裸露、砸斷現(xiàn)象，為此礦山對(duì)該段主溜井進(jìn)行了加固處理。2019年5月19—30日，2#主溜井生產(chǎn)放礦時(shí)，在-420 m放礦口頻繁出現(xiàn)大塊巖石卡堵、礦石含水率增高現(xiàn)象，有的大塊巖石上存在錨桿或錨桿眼，嚴(yán)重影響礦石粗破碎和主井提升生產(chǎn)，為了找出大塊巖石產(chǎn)生的原因，礦山組織對(duì)井筒進(jìn)行了三維掃描，初步發(fā)現(xiàn)-151~-175 m段主溜井垮塌嚴(yán)重，最深處已垮塌至井筒邊界13 m，垮塌體積超過(guò)4 500 m3，-175 m以下垮塌情況不詳［3］。圖2為主溜井-151~-175 m段垮塌斷面圖。

1.2 主溜井垮幫原因分析

針對(duì)2#主溜井在使用過(guò)程中出現(xiàn)垮幫現(xiàn)象，礦山從開(kāi)拓工程布置、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、主溜井掘砌方案、主溜井使用情況等不同角度進(jìn)行了梳理分析，認(rèn)為主溜井垮幫是多種影響因素相互疊加所致。

（1）主溜井所在區(qū)域工程地質(zhì)條件復(fù)雜，2#主溜井處于3個(gè)斷裂構(gòu)造包圍之中，且有1條產(chǎn)狀為174°∠81°的斷層從主溜井經(jīng)過(guò)，受影響的范圍在-120~-206 m，斷層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石較為破碎。

（2）為了便于檢查、處理主溜井堵塞情況，礦山在-200 m施工了1條觀察巷道，巷道中積水嚴(yán)重、巖石穩(wěn)定性差，存在片幫和冒頂問(wèn)題。

（3）礦山前期采場(chǎng)能力小、提升能力大，因而運(yùn)輸給礦量小于主溜井放礦量，造成運(yùn)輸給礦頻繁沖刷主溜井井壁。

（4）在主溜井施工過(guò)程中，-132~-142、-140~-150、-200~-210 m處曾出現(xiàn)垮塌堵井現(xiàn)象，雖已加固處理但支護(hù)厚度薄、范圍小，強(qiáng)度不足以阻止礦石沖擊、摩擦對(duì)主溜井的破壞作用。

2 主溜井垮幫修復(fù)方案

2.1 主溜井工程地質(zhì)情況

2#主溜井工程采用天井鉆機(jī)反井法施工，先鉆進(jìn)導(dǎo)孔、再擴(kuò)孔、最后擴(kuò)刷。在施工導(dǎo)孔期間曾出現(xiàn)多次卡鉆現(xiàn)象，主溜井?dāng)U刷過(guò)程中在-132~-133、-140~-150、-200~-210 m等位置發(fā)生垮塌。從2#主溜井巖性情況來(lái)看，-120~-206 m段為白云巖，巖體整體穩(wěn)定性較好，有破碎帶經(jīng)過(guò)的區(qū)域，帶內(nèi)為壓碎巖石和泥質(zhì)礦物充填，風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，穩(wěn)定性較差，其中，在-137~-140 m有1條產(chǎn)狀為183°∠57°的斷裂構(gòu)造、在-175~-185 m有1條產(chǎn)狀為174°∠81°的斷裂構(gòu)造；-206~-228.55 m段為中強(qiáng)風(fēng)化的透輝石、透閃石，巖體呈片狀構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育，整體穩(wěn)定性較好，2種巖石間有接觸破碎帶，產(chǎn)狀為174°∠81°，帶內(nèi)為巖石碎塊、泥質(zhì)物充填，穩(wěn)定性較差。

2.2 主溜井垮幫修復(fù)初步方案

為了確保修復(fù)主溜井垮幫工作安全、施工工期可控，需根據(jù)主溜井周邊的地質(zhì)條件、主溜井垮幫情況制定可靠的修復(fù)方案。采用空?qǐng)霾傻V法的原理，將垮幫后的主溜井視作一個(gè)已經(jīng)采空的礦房，由內(nèi)向外、自上而下進(jìn)行修復(fù)。首先在-420 m放礦將主溜井內(nèi)的礦石放出2 m左右的高度，便于人員進(jìn)入主溜井檢查其破壞情況并處理安全隱患；然后采用鋼筋混凝土進(jìn)行主溜井加固形成人工假頂結(jié)構(gòu)；接下來(lái)在假頂?shù)难谧o(hù)下處理主溜井下部的垮幫情況，采用噴錨網(wǎng)作臨時(shí)支護(hù)，并按照每次循環(huán)2 m向下處理，當(dāng)臨時(shí)支護(hù)達(dá)到10~15 m或處理過(guò)程中存在安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，則暫停向下處理井壁垮幫轉(zhuǎn)而進(jìn)行主溜井加固，并采用鋼筋混凝土作為假底、上部為澆灌混凝土充填空區(qū)；再向下以前期的假底為掩護(hù)，并按垮幫清理、臨時(shí)支護(hù)、鋼筋混凝土加固、空區(qū)充填的過(guò)程循環(huán)，直到主溜井修復(fù)完畢，采用低壓注漿將每?jī)纱螡补嗷炷林g的縫隙充填密實(shí)；為防止礦石沖擊、流動(dòng)磨損主溜井壁并延長(zhǎng)主溜井使用時(shí)間，在主溜井-191 m以上加固時(shí)安裝耐磨襯板。

3 主溜井垮幫段修復(fù)工程的實(shí)施

3.1 在主溜井垮幫段上方人工假頂設(shè)置

因主溜井垮幫面積大、距離長(zhǎng)，為了保證主溜井修復(fù)過(guò)程中人員作業(yè)安全，需要將垮幫區(qū)域的頂板支護(hù)好才能在主溜井內(nèi)作業(yè)。在主溜井放礦至預(yù)定高度后，礦山組織人員下到主溜井垮幫位置檢查情況，發(fā)現(xiàn)主溜井垮幫問(wèn)題遠(yuǎn)超想象，不僅頂板垮塌面積大、且?guī)r石整體性差?？紤]到在主溜井內(nèi)作業(yè)空間狹窄、安全條件差、施工難度大等因素，不宜安排施工人員在裸露的空間內(nèi)從事綁扎鋼筋、澆灌混凝土等工作，為此礦山調(diào)整了假頂加固方案。

調(diào)整后的假頂加固方案:在-420 m放礦將主溜井內(nèi)的礦石放出2 m左右的高度，施工人員進(jìn)入主溜井后，以吊盤為掩護(hù)對(duì)主溜井垮幫區(qū)進(jìn)行安全處理，撬除頂板的浮石，在此基礎(chǔ)上迅速完成噴錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)，并由內(nèi)向外擴(kuò)展作業(yè)面直到垮幫區(qū)頂板全部支護(hù)完畢。現(xiàn)場(chǎng)采用長(zhǎng)短錨桿相結(jié)合、雙層鋼筋網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在垮塌區(qū)頂板浮石撬除完成后，先初噴50 mm混凝土封閉巖石表面以防頂板碎石掉落，然后按800 mm×800 mm的網(wǎng)度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網(wǎng)片，錨桿規(guī)格為?22 mm×2 000 mm，再?gòu)?fù)噴100 mm混凝土使支護(hù)后的頂板成為整體，待垮幫區(qū)全部清理、支護(hù)一遍后，按3 000 m×2 000 m的網(wǎng)度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網(wǎng)片，錨桿規(guī)格為?28 mm×5 000 mm，再加噴150 mm混凝土對(duì)頂板進(jìn)行加固，最終形成了長(zhǎng)短錨桿相結(jié)合、雙層鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土假頂結(jié)構(gòu)。

3.2 主溜井垮幫段加固

人工假頂形成以后，在主溜井內(nèi)施工作業(yè)的安全性得到了顯著改善。主溜井垮幫段采取自上而下撬除浮石、自下而上加固井筒的方案，在人工假頂?shù)难谧o(hù)下，首先將主溜井垮幫壁上的浮石撬除并初噴50 mm混凝土以防碎石片幫掉落，然后按800 mm×800 mm的網(wǎng)度施工錨桿眼、加裝錨桿和鋼筋網(wǎng)片，錨桿規(guī)格為?22 mm×2 000 mm，再?gòu)?fù)噴100 mm混凝土使支護(hù)后的井幫成為整體，接下來(lái)在-420 m放礦使主溜井中間位置礦位下降2.5~3.0 m，利用小型挖掘機(jī)將垮幫區(qū)的碎石清理到井筒中間位置，在渣堆上按前述步驟完成浮石撬除、噴錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)等工作，由此循環(huán)多次。當(dāng)垮幫段臨時(shí)支護(hù)由-151 m下降到-164.4 m時(shí)，主溜井垮幫面積不僅沒(méi)有縮小的跡象，巖石反而更加破碎、穩(wěn)定性變差，繼續(xù)向下清理浮石時(shí)出現(xiàn)了上部巖石失穩(wěn)的現(xiàn)象、存在較大的安全隱患，因此轉(zhuǎn)入主溜井加固階段。

主溜井加固采用自下而上的順序，為保證下一個(gè)循環(huán)施工安全在下部設(shè)置假底結(jié)構(gòu)，假底采用雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為提高主溜井垮幫段加固的整體強(qiáng)度，在井筒徑向上內(nèi)側(cè)采用雙層鋼筋網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)、外側(cè)采用C30混凝土。首先平整底板巖石、充填細(xì)砂、鋪設(shè)土工膜以防水泥漿液滲漏，然后按全斷面鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)澆灌混凝土形成假底結(jié)構(gòu)，假底結(jié)構(gòu)的鋼筋采用?28 mm螺紋鋼、網(wǎng)度為300 mm×300 mm、層距為500 mm，層間采用?10 mm圓鋼連接，鋼筋網(wǎng)與主溜井壁和假頂臨時(shí)支護(hù)的錨桿相連接形成整體，鋼筋綁扎完成后在假頂與假底之間澆灌混凝土約為2 310 m3，起加固主溜井作用［1-3］。

考慮到主溜井在-175~-206 m施工階段采用噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)+鋼纖維混凝土支護(hù)，且支護(hù)厚度達(dá)到了1 200 mm垮幫的可能性較小，因此擬定最終在-175 m以上設(shè)置假底，當(dāng)主溜井清理到-176 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)原有的鋼纖維混凝土支護(hù)已完全消失且?guī)r石極為破碎，大大超出了前期的想象。為此，在-176 m設(shè)置了第2層假底，假底結(jié)構(gòu)以及上部的加固形式與第1層相同，澆灌混凝土約為2 250 m3。

主溜井加固到-176 m后在-420 m放礦，發(fā)現(xiàn)主溜井垮幫面積并沒(méi)有縮小，繼續(xù)沿用前面的做法向下清理和臨時(shí)支護(hù)，當(dāng)臨時(shí)支護(hù)到達(dá)-197 m時(shí)與1條主溜井觀察巷道溝通，該巷道內(nèi)有大量積水源源不斷灌入主溜井，由此判斷觀察巷道涌水是造成主溜井垮塌的又一重要原因。繼續(xù)往下清理主溜井巖石整體性、穩(wěn)定性轉(zhuǎn)好，井筒斷面也有所縮小，因此在-191 m設(shè)置了第3層假底，假底結(jié)構(gòu)在第1、2層的基礎(chǔ)上增加了縱向和橫向布置的工字鋼，同時(shí)在-197 m主溜井觀察巷道內(nèi)設(shè)置了2道擋水墻，阻止水流進(jìn)入主溜井，其中，在距離主溜井壁約3 m處設(shè)1道厚度為300 mm的磚混結(jié)構(gòu)擋水墻，在距離主溜井壁約30 m處設(shè)1道厚度為1 000 mm的混凝土結(jié)構(gòu)擋水墻，確保無(wú)水流進(jìn)入主溜井。

受卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩長(zhǎng)度的限制，吊盤最多只能下放到-210 m標(biāo)高，在-176~-191 m主溜井加固完成后，按此前浮石撬除、臨時(shí)支護(hù)的步驟逐步將主溜井內(nèi)的礦位放至-207.6 m，該段主溜井鋼纖維混凝土支護(hù)層也已脫落，但井筒斷面擴(kuò)大跡象不明顯，為此-191~-206 m進(jìn)行了最后一段加固處理，該段假底結(jié)構(gòu)采用單層鋼筋網(wǎng)與主溜井壁錨桿和頂部鋼筋連成整體，澆灌混凝土后養(yǎng)護(hù)28 d。

綜上所述，主溜井垮幫段澆灌混凝土加固分4次完成，共55 m。前3次加固設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)混凝土假底為向下部施工提供掩護(hù)，第4次加固設(shè)置單層鋼筋網(wǎng)混凝土假底以提高抗拉強(qiáng)度，加固體通過(guò)錨桿與巖體緊密結(jié)合，不僅保證了主溜井垮幫段的施工安全，同時(shí)大大提高了主溜井壁的強(qiáng)度。第3次加固時(shí)在-191 m對(duì)主溜井觀察巷道的涌水進(jìn)行了治理，從而消除了地下水對(duì)主溜井放礦和井壁巖石破壞的影響。

4 主溜井修復(fù)后使用情況

主溜井修復(fù)完成后經(jīng)過(guò)28 d的保養(yǎng)，開(kāi)始恢復(fù)試運(yùn)行。由于主溜井內(nèi)原先貯存超過(guò)12 000 t礦巖（理論測(cè)算），包括來(lái)自采場(chǎng)各區(qū)域的礦石、主溜井垮幫的巖石、加固期間殘留的雜物，在試運(yùn)行期間需要將主溜井內(nèi)貯存的礦巖全部置換。為了減少-120 m電機(jī)車卸礦對(duì)主溜井的沖刷［4］，在-120 m先行采用采準(zhǔn)副產(chǎn)礦石將主溜井填滿，在-420 m放礦過(guò)程中嚴(yán)格控制主溜井內(nèi)礦位高度，當(dāng)?shù)V石下降達(dá)到20 m時(shí)停止放礦，再次采用回采礦石將主溜井填滿，接下來(lái)按規(guī)定的主溜井礦位高度控制-120 m運(yùn)輸系統(tǒng)電機(jī)車卸礦量、-420 m破碎系統(tǒng)放礦量［5］。

2020年2月6日起，礦山組織開(kāi)展主溜井放礦工作，在放礦1 600~5 000 t間零星出現(xiàn)5次大塊巖石卡堵現(xiàn)象，其后正常放礦7 800 t，在放礦128 00~15 400 t間頻繁出現(xiàn)34次大塊卡堵現(xiàn)象，再往后正常放礦，表明主溜井內(nèi)原先貯存的礦巖已置換完畢，整個(gè)試運(yùn)行歷時(shí)9 d，共處理大塊39次，撿出螺紋鋼10根。進(jìn)入3月以來(lái)，隨著礦山各生產(chǎn)系統(tǒng)逐步正常，2#主溜井一直保持順暢運(yùn)行，再也沒(méi)有受到主溜井垮幫、大塊卡堵的困擾，從而為礦山地下開(kāi)采系統(tǒng)全面達(dá)產(chǎn)達(dá)效提供了保障。

5 結(jié)語(yǔ)

主溜井是地下礦山生產(chǎn)的瓶頸之一，保持主溜井順暢運(yùn)行有利于提高礦石產(chǎn)量。由于主溜井通過(guò)礦量大、服務(wù)年限長(zhǎng)，其位置選擇應(yīng)避開(kāi)破碎裂隙、巖石穩(wěn)定性差等不良地質(zhì)條件，如施工過(guò)程中遇到節(jié)理裂隙發(fā)育、松軟風(fēng)化的地層，應(yīng)采取加強(qiáng)支護(hù)等技術(shù)措施，以防止主溜井在使用過(guò)程中出現(xiàn)垮幫而影響生產(chǎn)。石碌鐵礦主溜井在位置選擇、施工及使用方面的教訓(xùn)是深刻的。因此，造成礦山采礦生產(chǎn)不暢、長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)修復(fù)，為了恢復(fù)2#主溜井的使用，礦山采用自上而下處理安全隱患、自下而上澆灌鋼筋混凝土和安裝耐磨襯板的加固方法，修復(fù)大面積垮幫區(qū)域，保證了施工過(guò)程中人員作業(yè)的安全，擴(kuò)大了主溜井垮幫區(qū)修復(fù)和整體加固的范圍，極大地提高了主溜井的強(qiáng)度。