不良岩层中竖井井筒的变形破坏与处理.pdf

不 良岩层中竖井井筒的变形破坏与处理 金川有 色金 属公司 周成浦颟 贵先 提 要新 行竖井是龙首矿前深部开拓系统中的控制性工程． 设计能力1 8 0 0 t ／ d ． 甩一套 ．T K D 9 ． 9 4 乡绳卷扬提升矿石，人员 观层单缶配平衡锤 ．I KD I ． 8 5 x 4 乡绳卷扬提升检修人员、 餐料帮 废石 井简净径设计为9 m，施工时考虑到井倚变形收敛影响，净径改为6 ． 【 m 采用短掘短砌，5 0 0 ram 厚的钢筋砼支护，井葆为5 4 9 ． 4 6 m，井倚1 9 8 4 年I 1 月掘商完毕．随后进行L 4 O O ．【 2 0 0 水平调车场的 掘 进。 虽然井摘穿过 l ／ 3 的不 良岩层．在开凿施工过程中．来用短掘短御的施工方法 ， 没有发生过重太片冒 事故 ，砼支护质量较好．只有在各马头门区厦均有不同程度的片冒．大部份都进行了壁后注浆处理．但 从1 9 8 5 年7 月以后，在井简i 4 0 0 I 2 2 0 m区段，井葡多敬发生明显的收敛、墒移，开裂．剪切错动 ． 挤压 掉骁等变形破坏现象 ， 严重威协作业员的安垒．1 9 8 5 年胃 ] 1 9 9 B 年1 0 月盘生过两扶强烈的地压话动． 在J ～0 周内健井筒一些区段受劐迅速的挤压 、错动．井壁开裂 ．砼成班成片脱 落 当时曾用 喷一锚一网 联台支护进行过两扶较大范围内的局部处理，均来能阻止井筒继续变形 ．破坏 ．井倚断面的最大收敛值 谜蓟4 0 0 I 3 O O mm，形成为一个不规趾的椭圆形断面．为此 定采取专门措施 ．制定有效的处理方案． 在井筒安装前进行全面返修， 保证管线和提升设备安装所需尺寸和投产后的安全远行．本文对其处理 情况作介绍． 一 、竖井工程地质条件 新二行竖井位于龙首矿 新 1 号 竖井 东南 侧7 1 m处，距 二矿区2 行 通风井2 4 0 m。由 于 山坡地形和工业场地的 限制 以及其 他历史 原 因，井位布置 在片麻 岩层中，井筒有 1 ／3 区 段要 穿 过 F m F m F 2 L 、Fa 、Fb 、F c 、Fi 断层群及 其影响带，见 图 1。 图1 新行并 工程 地质剖面 图 有 色矿 山一 l 9 9 O ． 5 F F F 均 为压性 断层，F z 断 层 走向 NE 4 0 5 0 。 ，倾 向 南 西 ，倾 角 6 0 。左 右，与井筒斜交。断层带岩体静 力 载 荷 试 验，抗压强度大于1 MP a ，压雅模量 大 于 3 8 MP a ，岩 体声 波速 度t 0 0 0 m／s 。F I s 断 层 走 向NW7 0 4 0 。 ，倾 向南西 ， 倾 角 5 4 6 5 。 。 断层带 由混杂的片岩 、片麻 岩 碎 片 、岩 粉 组成。各类岩层的相互接触 面均为软弱结构 面 。 由于当时竖井 急等开工，仅对井塔地基 做丁工程地质。未对竖井进行 工 程 地 质 钻 探 ，只 根据相邻工程做 了工程地质预测剖 面 图，虽然施 工后井 筒揭露岩层情 况与预测剖 面图基本一致，但对断层带的作用和影响估 计不 足，给以后施 工和生产 形成一大隐患。 二、竖井井筒变形破坏特徵 蛏井井 筒由于受客观条件的 限制 ，议脏 进行长期 、系统 的科学观测 。现仅根据施 一 L 场所 收集到的实际资料 ，对其变 形破坏特 征 一 l 9一 维普资讯 归纳如下 1 ． 竖井井筒穿过岩 层比较稳 固的地段 ， 井壁 出现局部的纵 向裂隙和砼支护 剥落。 2 ． 井筒中下部1 4 2 0 m至1 2 6 8 m区段约 1 5 2 m受到不 均匀地 压作用， 由W N向s E 方 向 位 移 。以井筒 中心为基准 点，WN 方 向井筒 半 径 明显 缩小 ， 标准半径应 为3 0 5 0 mm，实测为 3 0 5 0 2 6 8 5 mm， 最大位移值为3 6 5 ram， E S 方 向半 径明显 增大，实 测 为 3 3 5 0 3 0 5 0 mm， 最 大位 移值 为 3 0 0 mm。 圆形井筒 断 面 成 不 规 则弧形偏 移，如图 2。井壁多有不 规则的 局部破裂现象，尤以WN 角最严重 ，有明显 的剪切 破坏理象。 囝2 行 井茼位移变形囝 3 ． 井 筒严重破裂 变形，5 0 0 mm,的钢 筋 砼整体支护被挤 压，剪切 断裂成 几段 板块 ， 圆形井筒 断面收缩 成不规则 的椭 圆形 ，如 图 3 o 这种现象 在1 3 4 0 m水平 上下约 5 O m 区段 最为 突出， wN S E 方 向实测井径为4 8 0 0 mm， 一 2 0一 ⋯一 厦 设计施 工井荷断面 变器髓耳 后持筒断面 圈3 并茼变形破坏示意 圈 比原施 工断 面缩小 了 1 3 0 0 mm，NE --S W 方 向井径为5 7 0 0 mm，缩小 4 0 0 mm。断层破坏 处混凝土剪切错动，交叉重叠长度 达 1 5 O ～ 4 0 0 mm，混凝土 内横 向主钢 筋 l 8 ram 呈反 “ S ”形露出 ， 断裂处 并有 断层泥挤 出， 见 图4 。 图4 新二行并 1 3 S 1 水平并 筒破坏围 4 ． 各 中段 马头 门多数需穿过 断层及其 影 响 鲁 ， 岩 石 松软 破 碎 ， 受 力复 杂 ， 开 挖 后 暴 露 面 { 大，均有不 同程度的片 冒，严 重的 冒 落 高达 3 ～4 m。经 处理后 ，混 凝土拱 、墙仍 发生变形 、开 裂破坏，还需进行二 次返修。 三、井筒变形破坏原 因浅析 新二行 竖井井 筒施工完 毕后发生大 盈 有 色矿 山-- 1 9 9 0 ． 5 维普资讯 变形破坏是十分严重的。金川矿 区建矿 廿多 年来， 在一矿 区开凿了 6条 竖井 ，在二矿 区 开凿了 7条深度较大的 竖井，均未 发生 过来 压如此猛，变形破坏 如此大的情况 。 多年来众多专家大量 的罚查研究和科 学 试验工 作证明．金川镍矿工程地质条件十分 复杂，在大约2 5 的不 良岩 层中巷道变形破 坏 十分严 重，使 井巷 施工和生产过程 中造成 很 大的困难 。同时，也对 巷道的变形破坏特 征 ，机 理，从不 同的角度 作了分析 ，发表 了 许多论 述 借鉴这些研究 成果，结合 竖井井 筒产 生严重的变形破坏的实际情 况 分 析 如 下 。 1 ． 对竖井工 程地质条件 未引 起 足 够 重 视， 竖井井 位选择不 妥，井塔 西 南 角 地 基 约 占塔基面积的l ／ 3 座落在F 5 断层上， 井筒穿过 断层密集 的片岩，片 麻 岩 带 。 在 1 3 4 0 m上下 区段 ，F a 与F n断层在井筒 处 汇 交，F n断 层直接将井筒分成两部 份 ，如 图 4 。该区段围岩 自撑力 极差，尤其是遇 水 后 多变 成岩泥，成为应力释放 的薄弱环节 ， 因 而该段井筒变形被坏最为严 重。 2 ． 根 据我 公司镍钻研究 所与中国地质科 学院地质力 学研究所 ，国家 地震 局北 京地震 地质 大队对龙 首矿 l 4 6 0 中段进行原岩应力 测 量表 明，其最 大水 平主应力 为3 5 MP a ，深部 1 3 4 O 中段 将承 受4 O MP a 以上 的围岩 压力 。按 照该 地区应力椭球 昕切的直力平 面分析 ，其 构造应力 场 的最大主应力 值 与最小 主应力值 相 差悬 殊，最大 主应力有 一个 向 上 的 偏 转 角。 随着 深度 的增加 ， 最大 主应力 急剧增大， 最 小主应力 增加很小 ，导 塑共筒不仅受到强 大的水平挤 压，而且还使 井筒发生扭 曲，加 剧 了井壁的变形，破裂 和 位 移 ，如 图 。 NE -- S W方 向井 筒收敛最 大值 为 1 3 0 0 mm， wN角和E s 角剪切破坏最严 重。 3 ． 该地段岩体普遍发育着 断裂 、节 理、 压碎 片岩化构造，尤其是 在片岩 、片麻岩 中古有大量 强粘土化断层混。据1 9 8 5 年北京 有 色矿 山一 l 9 9 0 ． 5 固5崭行并并壁变形破裂位移固 大学，在 金 川矿 区断层泥特征及其与巷道 变形关 系的研 究” 一文 中指 出，断层泥在受 力后的变形行为，主要以塑性变形为主，其 表现方式是 在高应力 作用下，先 压缩随后产 生 塑性剪切 流动或揉皱 ，断层 泥沿结构面滑 动产生变形地 压。断层泥 以蒙 脱石 、绿 泥石 为 主，在井 F台水量 约为2 2 ，处于塑性状 态并产生膨胀 压力 ，加 强了对 井筒 的破 坏。 在破坏区，不 良岩层中结梅面的强度接 近 室内岩样试验 中的残余强度 ，在片麻 岩中 残余强度仅为极限强度的1 ／6 I ／9 ．测定 值 为1 5 ～1 7 MP a 小于围岩压力 3 5 4 0 MP a ． 因此井筒产生变形破坏是不可 避免的。 4 。 采用5 0 0 mm厚的钢筋旌 一次支 护，短 掘短 砌受爆破 影响大及 施工缝多 ，影 响砼 整 体质量 。同时因施工条件 限止 ，使钢筋配置 不尽台理 ， 钢 筋布置在砼中部， 两侧为2 5 0 mm 厚的素砼 ，在长期应力 作用下，产生 复杂的 变形机制 ，导致井筒破裂 。 四、井筒加 固处理方法 1 9 8 5 年井 筒变形破 坏后，为了确保下部 施工安全，对破坏处曾用锚喷 网支护作过临 时处 理。进行井 筒安装前 ，金川公 司会 同北 京有 色冶金设计研究 总院针对井 筒 不 同 区 一 2l 一 、 维普资讯 段、井壁的不同破坏程度，共同分析研究、 制定对 策，采取 以下返 修处理 措施 1 ． 对 井壁整体结构 比较完整，仅有小于 3 mm的裂缝和砼表皮 剥落之处 ，采用 清 除 松散的杆， 在裂 缝两侧 用 1 8 mm螺纹钢 ，长 2 ． 5 米 ，网度 为5 0 01 0 0 0 mm的砂浆锚 杆 补 强 。 2 ． 对井壁基本完整 ，并筒受不均 匀挤 压 产生 偏移，局 部变形破坏形成不规则圆形断 面地段 ，决定用风镐 修整井壁 ，各个方 向线 井筒中心达 到规定半径后 ，沿井筒 纵向每 隔 l m紧贴井壁架设1 6 槽钢钢圈一架。钢圈间 用 8 根1 6 槽钢做立柱，与上下钢圈 用 螺栓 联结组成整体，并 用 8根 p 2 5 mm 、长 2 ． 5 m 锚杆将钢圈托住。然后沿整个井壁 喷 6 ． 5 c m 厚的砼将 钢圈、钢柱埋住。这样处理后的井 筒净直径 由6 1 0 0 ram缩 小 为 6 8 7 0 ram，可 以 满足在井筒断面中布置提升设施的需要，如 图 6。 囤6破坏不大时的处理方案 3 ． 对井筒 变形破坏 严重，井壁大面积开 裂并产生横向剪切错动，断面大幅度不规则 收敛 区段 ， 用风镐或打 浅眼 2 0 0 3 0 0 mm 、 放小炮 每眼装药 l O 0 2 0 0 g 方 式，将 已 破坏的砼壁全部清除，达到要求规格后，采 用双层喷锚网钢囤喷射砼的方式加 固。复合支护厚度达3 0 0 mm，如 图 7。 我们认为井 筒围岩应力 释 放 井 壁 变 形 、破 坏之后，采用这种钢柔结合 的支护 ～ 22 一 I 。 图7 破 坏严煎时的处理方寨 系统可 以防止井 壁大 面积变形破坏。 在长期 应力 作用 下，如果 再发生局 部变形破坏 ，便 于及 时返 修处 理。实践 证明，处理后的这 三 年 时间 里井 壁情 况 良好。 4 ． 由于 竖井 工程投产 的时 间紧 追，决定 地 面井 塔的 建设 与地下井筒的返 修 、安 装工 作 同时进行 ，上 下平行 作业 。立 体施工必 须 采取 安全可靠 、互不干扰的 施工方式 。并 采 取 了以下措施； 1 撤除凿井耐的临时井架，利用原 有 掘进用巾2 ． 5 m卷扬 ，将天轮改 成地轮 ，并 多层严密封 筋井 口后， 地表 以上交付 建筑 安 装公司施工井塔 。 2井 巷工 程公司作业人 员由1 7 0 3 m 平 峒进 入 竖井 上下人 员材 料。 3设计、制作井筒返修专用吊盘。 吊盘分 4 层， 上 3 层直 径为 5 ． 6 m，最 下层直 径为5 m， 以适 应处理井筒断 面收敛 变 形 的 需要 。 吊盘 由地表 2台1 6 t 稳车 吊 挂。为 上 下人员 、材 料、专门设计 制作 了 一 个 小 罐 笼， ． 可装一台0 ． 7 m 。 翻斗矿车 五、 结 语 金川矿 区大小 断层 纵横 交错 ，岩层松软 碎裂，地层 压力大 ，工程地质条件复杂 。对 下 转 第 1 2 页 有 色矿 山一 l 9 9 0 ． 5 维普资讯 方法及 复出措施， 受 当地政府及农 民的 欢 迎 。 2 ． 倾斜矿 体 对于急斜矿 体，其采空区一般是难 以作 内部排 土场使用的，但对于走 向长度大的倾 斜 矿体 ，当采取一定的技术措施后 ，其采空 区还是可 以作为内部排土场使用的。 3 ． 意倾斜矿体 对于急倾斜矿体，其采空区更难作内部 排土场 使用 ，但 目前有下 面几种办 法 1 对于走向长度大的急倾斜矿 体， 其采 空区可以作 为内部排 土场。此时先 开采 第一个采 区，并将 土岩运往外部排 土场。 当 采区延深到最终位置后，工作线沿全深横向 推进 ， 并将土岩运往 内部排 土场 ， 即采空区。 还 可 以采用盘 区开采 法， 即将矿 山分 成 几个 盘区，剥采工作首先在 第一个盘 区内进 行 ，土岩运往 外部排 土场。当第 一个 盘区采 到最 终深 度后 ，立 即开 采第 二个盘区，土岩 排弃到第一个盘区的采空 区，此时工作线纵 向推进 。 2 对 于走向长度 相对 不大 的急倾斜 矿 体， 也可 以实行 内部排土 当开采采场的一 端 时， 剥离 土岩就运往采场的另一端，当开 采采场的另一端时， 土岩就倒运 回来 ，此时 土岩需来回倒运，故费用增加。但土岩无需 二 次穿孔爆 破、采装费用亦不高，还 可以大 大碱少运距和运输费用，故经济 上 是 台 驰 的。此时土岩允许倒 遂次数视其减少的运距 而定 。 此项技术在苏联 已获专利， 但未 见使 J H 实例。 3划 午站 犬矿 已结 束’ I 采 的 采 空 ，完全可 姒实施 内部排 L ， 作为另一 个碡； ‘ 天矿或 采区 采场的排土场。我国一些锘 天矿就 是这样做的，例如 白银露天矿， 当 1 号采 场采完 以后， 就作 2 号 采场的排土场 这样，既 减少 了 占地， 叉缩 短 丁运距，是一 举多得。 露犬矿 的采 空区还 可以作其 他 一 些 用 途．如水库、拉圾倾倒场，枵水处理场等， 这里就不一一 介绍 了。 六、结论 【 ． 台理开 发，综 台利用是发展我国露天 开采 的方 向。 2 。 合理开发，箍合利用又是一项十分复 杂、十分艰 巨的工 作， 需要 各行各业 通力 合 作、共同努力 才能 成功的事业 。 3 ． 考 虑综 合利用问题时，既要照顾本 位的利益，还要考虑 家和社会 的利益 当 两 者发生矛盾 时，域 把社会效 益 放 在 第 一 位， 斑先考虑 家的 利益 、社会 的利益。 参考文献 略 善嚣∞； 薪 毒￡ 靛 J k接第 2 2 页 竖井 施工 至少 应做 好以下三方 面 的 技 术 工 作 1 ． 加强工程 地质工 作。井塔塔基要做 好 工 程地质勘察，井筒要打工程 地质 钻，为设 计 和施工提供好基础贤料， 以便采取辐应的 措施。 2 ． 认 真选择合理的 竖井位置 。按照金川 矿 区的实 际情况，尽量选择牛 H 对较好的岩体 适 当增 I j 石 门或 平巷 的工 程量 电值 得， 尤其是竖井、马头门要尽力避开断层，以减 一 l 2一 少施工中的困难。 3 ． 不 良岩层 中的井筒 支护 也应 和千巷支 护 栩似 ，适宜采用先 柔后刚的二 次 支 护 方 法，一次支护用喷锚网或钢圈_点护，二次．H j 现浇钢筋 砼支 护，可得到较好的效果。 本文 简要 的归 纳分析、 总结龙首矿新 _ Ⅲ ‘ 行 竖井工程 建设 中遇到 的井筒 变 形 破 坏 特 ，加 固处理经验，探讨保持 竖井 旌划 稳定 帕措施仆 、』 J 今后 。 构参 考。 参考资料 略 有 色矿 山一l 9 9 0 ． 5 维普资讯