大深度大直径三山岛副井支护研究与创新探讨.pdf
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1、摇2024 年 2 月第 53 卷摇 第 1 期中国矿山工程China Mine Engineering大深度大直径三山岛副井支护研究与创新探讨Discussion and Research on Support of Auxiliary Shaft with LargeDiameter and Depth in Sanshandao Mine孙摇 扬1,2,李金哲1,2,李文光3,郭摇 雷1,2,安建英1,2,王建中1,2(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.深部金属矿采动地压灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室,北京 100038;3.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金
2、矿,山东 烟台 261417)摘摇 要:竖井作为矿山深部采矿的咽喉工程,其建设工期制约着整个矿山建设期,其服役期安全稳定是矿山正常安全生产的保障。本文以三山岛金矿副井工程为背景,研究探讨直径 10郾 5 m、埋深 1 915 m 的大直径深埋竖井支护理念、支护方案及建设创新。通过深入研究国内外支护理论,突破传统设计理念,采用新型工艺卸压与充分利用围岩作用的设计理念,提出了大埋深竖井分区分序支护方案,探讨了深井建设的创新方向。文章研究成果能够为深地开发利用的瓶颈工程支护设计提供参考应用,为储备 2 500 m 以浅的深井建设技术及相关深井工程提供重要借鉴。关键词:深竖井;支护理念;深井建设创新中
3、图分类号:TD352摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1672鄄鄄609X(2024)01鄄鄄0025鄄鄄07作者简介 孙扬(1985),男,陕西榆林人,正高级工程师,主要从事金属矿山井巷工程及岩石力学相关设计与研究工作。基金项目“十四五冶国家重点研发计划项目资助(编号:2016YFC2907205)。引用格式 孙扬,李金哲,安建英,等.大深度大直径三山岛副井支护研究与创新探讨J.中国矿山工程,2024,53(1):25-31.Abstract:As the throat project of deep mining in the mine,the construction pe
4、riod of the shaft controls the whole mine constructionperiod,and the safety and stability of its service period restricts the normal safety production of the mine.Based on the auxiliary shaftproject of Sanshandao gold mine,this paper studies and discusses the support concept,support scheme and const
5、ruction innovation oflarge鄄diameter deep鄄buried shaft with diameter of 10郾 5 m and buried depth of 1 915 m.Through in鄄depth study of domestic and foreignsupport theory,breaking through the traditional design concept,adopting the design concept of new process pressure relief and makingfull use of the
6、 role of surrounding rock,this paper studies the support scheme of large buried deep shaft,and discusses the innovationdirection of deep well construction.The research results of this paper can provide reference application for the support design ofbottleneck engineering in deep development and util
7、ization,and provide important reference for the construction technology of deep welland related deep well engineering below 2 500 m.Key words:deep shaft;supporting theory;deep shaft executing innovation1摇 前言金属矿产作为工业大宗原料,近年来随着中国经济体量的增加,对金属矿产需求也逐年增加;同时,金属矿产资源储备为国家经济安全发展提供保障,对应对国际市场变化和维护综合国力保驾护航起到“压舱石冶
8、作用。随着浅部资源逐渐枯竭,国内矿山正在逐渐向1000 m 至1200 m 的开采深度迈进1,少数的金属矿井正在建设超过1 400 m 的深井开拓系统。国内诸多在产金属矿山转入深部开采,如金川镍矿、冬瓜山铜矿、铜绿山铜矿、会泽铅锌矿、三山岛金矿。同时,诸多新建或拟建矿山直接进入深部开采,如思山岭铁矿、海域金矿、水旺庄金矿、岔路口钼矿、纱岭金矿、高地锰矿等。据不完全统计,国外金属矿山深度超过千米的有110 多座,主要分布在南非、加拿大、美国、俄罗斯等国家2-4。竖井是深井开采通达矿体的物流通道,也是地下矿山建设的咽喉工程。因此,深井建设技术是保证深井矿山建设的关键技术。近年国内建成了多条深竖井,
9、如思山岭铁矿主井(1 505 m)、会泽铅锌矿 3#竖井(1 526 m)、海域金52中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)矿措施井(1 530 m)和新城金矿主井(1 527 m)。这些深竖井建设积累了诸多技术经验,当前国内的竖井建设技术能够满足 1 500 m 左右的深竖井工程。然而,随着深度继续增加,钢丝绳自重的不断增加导致提升效率下降、提升机载重增大、提升稳车能力增加;同时,导致通风降温困难、排水扬程增大,凿井、安装精度保证困难,以及安全风险增加等诸多问题5-7。同时,受深部地层“高应力、高水压、高岩温、高温水冶带来的不利影响加剧,对于更大深度的竖井建设关键技术仍需继续研究。国内
10、三山岛金矿在建副井深度近 2 000 m,直径达 10郾 5 m;正在建设的云南会泽 6#盲竖井其井口埋深达 1 300 m,井筒深度 980 m,最终井底埋深达到2 280 m;计划开采的水旺庄金矿,其竖井深度也超过了 1 800 m。“十三五冶 开局之年8,国家面向2030 年“深度冶布局,提出了“深空、深海、深地、深蓝冶系列重大专项;2020 年 10 月,国家“十四五冶发展规划再次明确深地深海领域,继续实施国家重大科技支持项目。2023 年国务院、国资委再次布局未来产业,深部资源开发与深部地下空间利用成为重要方向。竖井是连接地表和地下空间的通道,开展深竖井建设相关研究是保证其服役期安全
11、稳定的重要关键技术,对保障深地资源开发与地下空间利用具有重要意义。2摇 竖井支护理念地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史,支护结构理论的一个核心问题是如何确定作用于地下结构上的荷载,以往对于竖井支护的核心是如何合理确定井壁侧压力问题。近年来随着深竖井工程的增多,深部“三高冶问题凸显,对于深井支护的认识和设计理念也发生了明显变化。2郾 1摇 传统支护理念地下工程所处的地质环境条件与地表工程是全然不同的,但长期以来受地面工程理论和方法解决地下工程中所遇到问题的思想影响。长期以来,竖井支护结构形式以构筑混凝土井壁为主,其支护计算的核心仍然是荷载结构法。这一传统设计理念导致的结果是,随着井筒
12、深度增加,竖井井壁厚度越来越大。根据圆形井壁弹性应力分析结果,其内边缘的切向应力最大。因此,在井壁研究中,将内缘切向应力作为井壁安全性的控制因素。某深竖井直径6郾 5 m,计算不同厚度下 1 000 m 深处的井壁内缘切向应力解。假设井壁受的围岩压力最大和最小值分别为 Pmax和 Pmin,井壁外半径和内半径分别为 R1和R2,则井壁内缘最大切向应力值计算如式(1)所示。滓max=(2R1R)2(2R1R)22-1(p1-2p2)滓(1)式中,滓为井壁混凝土衬砌的单轴抗压设计强度值,令 p1=(pmax+pmin)/2,p1=(pmax+pmin)/2。分别假定 pmax=1郾 5 MPa 和
13、 pmin=1郾 0 MPa,利用式(1)计算的曲线如图 1 所示。图 1摇 井壁切向应力最大值与井壁厚度关系曲线摇井壁切向应力最大值与井壁厚度关系曲线表明:在工程条件与对应的地应力条件耦合作用下,井壁厚度的增加使得内缘应力成负指数关系衰减;当井壁厚度达到一定值后,其切向应力减小缓慢。因此,通过增加井壁厚度来获得井壁安全储备是不合理的。其随着井筒深度增加,围岩的强度越来越高,很多竖井其围岩的岩石单轴抗压强度达到 100 MPa以上。在金属矿山,即使采用 C60 的混凝土,其深部围岩强度普遍高于混凝土。对于高应力区域,工程实践表明仅采用高强钢筋混凝土,在深井工程中仍然不能保证高应力区域的井筒稳定
14、。2郾 2摇 深竖井支护设计理念国外南非、加拿大等矿业发达国家的深井矿山竖井,其井壁厚度多 300 500 mm。南非的 SouthDeep金矿竖井,井筒净直径 9郾 0 m,深度达2 990郾 5 m,支护厚度仅为300 mm9。近年来中国深竖井的工程越来越多,遇到深井高应力的问题越来越突出,如岩爆和高应力大变形。工程实践中,突破了传统竖井支护设计理念,形成了围岩井壁共同承载的新的井壁支护理念,井筒围岩即是荷载也是承载结构10-11。针对深竖井特征,新的竖井支护设计理念是基于掘进释能、62摇第 1 期孙摇 扬等:大深度大直径三山岛副井支护研究与创新探讨充分发挥围岩作用、竖井分区分型支护、实施
15、复合分序支护、弱化混凝土井壁作用。深部高应力倾向型地层中,开挖卸荷扰动易诱发局部岩爆;相应的支护结构要适配融合建井工艺,基于掘进释能释放部分围岩压力。利用掘进凿岩爆破、一次支护、分次出渣、滞后出渣、二次支护实现分序分次的支护,保护工作人员在一次支护下安全工作;利用主动支护充分强化利用井筒深部围岩强度。深井开挖扰动原岩应力场,掘砌凿岩爆破、出渣工艺充分卸压释放强调整期应力;以主动柔性支护为主调动深部围岩作用,发挥围岩承载能力,使得围岩与支护结构适度协同变形。协调掘砌施工工艺,实施分次联合支护,使围岩应力分布逐渐调整稳定。支护理念工艺如图 2 所示。图 2摇 基于掘进工艺势能的支护理念摇摇 摇 深
16、竖井工程深度大、穿越的地层多、应力场随深度而发生转换,传统一壁到底的支护结构形式难以满足深井设计理念需求。推行深井分区分段支护设计理念,按照第四系地层、浅部基岩层、深部基岩层、高应力倾向性基岩层划分开展分区阶段设计。本理念充分结合中国凿井建井工艺与国外凿井工艺,井筒浅部采用传统单层井壁设计,满足中国传统工艺快速建井。深部地层及高应力倾向性基岩层,汲取国外深竖井成功经验,利用分序分次的多种支护结构,充分发挥围岩作用。3摇 三山岛副井工程概况三山岛金矿12为国内大型黄金地下矿山,位于山东省莱州,地处渤海南岸的滨海平原。三山岛副井是矿区开发深部资源的主要咽喉通道,担负深部人员及材料下方及通风功能。井
17、筒设计净直径10郾 5 m,设计深度 1 915 m,井筒断面如图 3 所示。3郾 1摇 工程地质三山岛金矿区位于胶东半岛,著名的招掖金矿成矿带的西端。区内构造主要为断裂构造,分为控矿断裂及矿后断裂,前者为新立-三山岛断裂带,后者为北西向断裂。新立-三山岛断裂带(F1)是矿区控矿断裂构造,位于三山岛-仓上断裂带的北东段,为三山岛-仓上断裂带一部分,由主干断裂及上下盘伴生的羽支断裂和下盘派生平行断裂组成。断裂带长约 5 100 m,按走向的不同以 11 线为界分为新立段和三山岛段。断裂带总体走向北东,以 11 线为72中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)图 3摇 副井断面布置图摇界,以东
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