采区溜井严重垮冒原因分析及加固方案研究.pdf

S e r i e s N o . 3 6 8 F e b r u a ry 2 0 0 7 金属矿山 ME T AL MI NE 总第3 6 8 期 2 0 0 7 年第2 期 采区溜井产重垮霄原因今析众加固方案研究* 季 翱 ，宋 卫 东 ，杜 翠 凤 ，王 永 清 ，兰 建 强 ， 1 。中国地质大学; 2 . 北京科技大学; 3 . 武钢矿业公司程潮铁矿 摘要以程潮铁矿为工程背景， 首先论述了严重垮冒采区溜井研究的必要性和重要性。其次， 在溜井破坏 宏观调查与分析的基础上， 总结出断层破碎带的存在和节理裂隙发育、 围岩自身的膨胀和流变特性、 工程环境差、 井筒不支护或支护强度低、 管理使用不当和应力集中的共同影响是造成溜井严重垮冒的原因。最后以4 3 0 4 上矿 溜井的返修加固工程为实例， 论述了混凝土箱型承载圈梁整体加固方案的设计要点， 且工程应用效果良 好。 关键词采区溜井严重垮冒 加固设计箱型承载圈梁 C a u s e A n a l y s i s o f S e r i o u s C o l l a p s e o f Mi n e P a s s a n d I n v e s t i g a t i o n o n I t s C o n s o l i d a t i o n J i A o 1 S o n g W e i d o n g z D u C u i f e n g Z W a n g Y o n g g i n g 3 L a n J i a n g i a n g 3 1 . C h i n a U n i v e r s i t y of G e o l o g y ; 2 . U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ; 3 C h e n g c h a o I r o n M i n e o f M i n i n g C o . ， W u S t e e l A b s t r a c t Wi t h C h e n g c h a o I r o n M i n e a s t h e e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d , t h e n e c e s s i t y a n d i m p o rt a n c e o f i n v e s t i g a t i n g t h e s e r i o u s c o l l a p s e o f m i n e p a s s a r e d i s c u s s e d . T h e n , b a s e d o n t h e m a c r o - s u r v e y a n d a n a l y s i s o f p a s s f a i l u r e s , i t i s c o n c l u - d e d t h a t t h e c o m m o n e ff e c t o f t h e e x i s t e n c e o f f a u l t f r a c t u r a l b e l t , j o i n t f i s s u r e d e v e l o p m e n t , s e l f - e x p a n s i o n a n d r h e o l o g i c a l b e h a v i o r o f h o s t r o c k ， p o o r e n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t , u n s u p p o rt e d s h a f t o r l o w s u p p o rt s t r e n g th ， i m p r o p e r m a n a g e m e n t a n d u s a g e ， a n d s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i s t h e c a u s e f o r t h e s e r i o u s c o l l a p s e o f m in e p a s s . F i n a l l y , w i t h t h e r e p a ir a n d c o n s o l i d a t i n g e n g i n e e r i n g o f N o . 4 3 0 3 o r e p a s s a s t h e c a s e , t h e m a j o r d e s i g n p o i n t s o f t h e i n t e g r a l c o n s o l i d a t i o n b y c o n c r e t e b o x - t y p e c a r - ry i n g c o l l a r b e a m, w h o s e a p p l i c a t i o n i n t h e e n g i n e e r i n g h as a c h i e v e d g o o d e ff e c t . K e y w o r d s M i n e p a s s , S e r i o u s c o l l a p s e , C o n s o l i d a t i o n d e s i g n , B o x - t y p e c a r ry i n g c o l l a r b e a m 无底柱分段崩落法自2 0 世纪6 0 年代中期自 瑞 典引人我国以来， 由于其具有采矿方法结构简单、 回 采工艺简单、 容易标准化、 机械化程度高、 安全性好、 可剔除夹石和分级出矿等显著优点， 在金属矿山得 到迅速推广和发展， 目 前已占地下铁矿山矿石总产 量的8 5 以上。该方法中矿石的运输路径是 中深 孔凿岩、装药爆破、铲运机出矿、采区溜井、阶段 运输。主溜井。井下粗破碎*主井提升至地表。采 区溜井主要作用是溜放和暂时储存矿石， 一般存在 的时间较长。以程潮铁矿为例， 每条溜井服务至少 一个7 0 m的中段， 按年下降速度1 4 m计算， 每条溜 井的平均使用年限达到8一1 0 a ， 平均负担矿量为 4 0 一6 0 万t ， 其稳定性如何将直接关系到矿块的生 产能力和出矿成本。 1 溜井破坏宏观调查与分析 井巷工程的变形破坏一直是影响地下金属矿山 采矿生产和安全的重大技术难题， 许多学者对采区 溜井的稳定性和破坏机理进行了深人的研究〔 1 -5 1 0 程潮铁矿采场溜井的变形破坏十分严重， 几乎所有 2 6 的溜井都发生过不同程度的片垮， 平均使用年限仅 为设计服务年限的1 / 2 左右。为揭示采区溜井的破 坏原因， 提出正确的维护方案， 确保溜井的稳定与畅 通， 对程潮铁矿东西2个采区的所有溜井进行了使 用现状、 围岩环境及破坏原因的调查分析工作。 1 . 1 溜井坍塌调查 - 2 9 0 - - 3 6 0 m中段内， 东区布置有4 3条溜 井， 其中废石溜井1 4 条， 矿石溜井2 9 条， 西区布置 有1 2 条溜井， 其中2 条为废石溜井， 1 0 条为矿石溜 井。 按照溜井设计的原则， 其应尽可能负担相同的 矿量， 根据各个分层矿体的分布情况， 1 条溜井设计 的服务面积约2 5 0 0 m z ， 井深7 0 一1 2 0 m ， 直径一般 为2 . 5 m ， 除少数溜井采取局部加固外， 其余均未进 *教育部“ 新世纪优秀人才支持计划” 项目 编号N C E T - 0 4 - 0 1 0 2 。 季 翱 1 9 6 5 - ， 男， 中国地质大学资源学院 武汉 ， 教授级高工， 在读博士， 4 3 0 0 8 0 湖北省武汉市青山区建设6 街武钢矿业公司技 术处。 季 翱等 采区溜井严重垮冒原因分析及加固方案研究2 0 0 7 年第2 期 行加固支护。 根据对矿体内外5 5 条溜井的逐一调查， 采场溜 井破坏的程度是比较严重的， 发生不同程度垮冒的 溜井有1 4 条， 总的破坏率达到2 4 . 5 ， 其中下盘溜 井破坏的有8 条， 占总破坏量的5 7 ， 上盘溜井发 生破坏的6 条， 占总破坏量的4 3 ， 而下盘溜井又 以废石溜井最为严重。从空 间分布情况看， - 3 1 6 m 水平以下， 溜井破坏明显加重， 到 一 3 6 0 m 分段已有7 条溜井还未使用就已经报废。在平面展 布上看， 东区东翼的溜井破坏率较高， 尤其是3 一5 穿， 该区间共有溜井 1 0 条， 其中6 条发生破坏而报 废， 新3 矿和新3 上矿未使用而报废， 3 6 0 3 上矿、 3 6 0 4 矿、 3 6 0 5 矿和3 6 0 5 废发生井壁垮冒 而不能使 用。 3 穿的5 条溜井仅下盘2 条溜井未发生破坏， 其余上盘3 条均报废， 5 穿范围内2 条溜井到一 2 9 0 m水平已全部报废， 致使该水平的矿量无处可出， 对 生产造成了极大的影响。采场溜井的主要破坏形式 及功能丧失的主要表现是 1 井壁片垮导致溜井井径扩大; 2 溜井无法封井和截井; 3 堵塞; 4 溜井联络道破坏。 1 . 2 溜井破坏原因分析 1 工程岩体条件。 矿岩的软破及断层破碎带 的影响是溜井破坏的主要原因之一。矿体内分布有 数十条断层构造带， 断层带宽而破碎， 并充填有遇水 崩解、 膨胀的粘土矿物， 岩体自 稳定性极差。同时由 于矿体内众多夹石、 夹层及软弱带的存在， 矿体蚀变 强烈、 节理发育， 形成众多软弱的矿岩接触带。尽管 在溜井设计时， 认真考虑了溜井位置选择， 但因断层 带数量多、 倾角又缓， 许多溜井难以避开， 造成溜井 在掘进和使用过程中的垮冒。 2 围岩岩性对溜井稳定性的影响。溜井井筒 上部以花岗斑岩为主， 下部以中粒花岗岩为主， 块状 结构， 坚硬密实。但由于溜井井筒部位节理裂隙较 发育， 软弱结构面内不均匀夹杂着大量蚀变类岩石， 呈细脉状分布， 将完好的岩体分割得支离破碎。当 有冲击载荷时， 易由 局部塌落发展成大规模塌方， 造 成“ 多米诺骨牌” 式的连锁反应。井壁围岩的夹层 表现出可塑、 膨胀和流变等软岩的变形特征， 对溜井 的稳定性产生不利的影响。 3 溜井工程环境差。溜井在各个分段水平都 要与出矿联巷相连， 井与巷的交叉口往往是稳定性 最差的部位， 通常又不支护， 再加上多水平卸矿的冲 撞， 使各个分段卸矿口附近的井筒破坏都十分严重。 另在下盘位置集中布置有风井、 溜井和废石井等数 条井， 形成竖井群， 由于各井相距较近， 溜井相互间 的作用程度较剧烈， 对各自 稳定性有较大影响。 4 井筒不支护或支护强度低。溜井围岩条件 本身就较差， 再加上通过能力大， 存在时间又长， 应 进行支护才能保持稳定， 但达部分溜井都未采取必 要的支护措施。即使采取了加固也是垮冒之后不得 已而为之。 5 使用不当。溜井的使用过程中， 有时空井 卸矿， 从而造成矿岩在数十米的井筒中连续冲撞， 加 剧了溜井片垮。各分段水平的凿岩水不加阻止地流 人井筒， 造成溜井围岩的溶蚀、 膨胀和软化， 加速了 溜井的破坏。另外， 各水平溜井口均未采取锁口和 安装格筛等措施， 也是造成溜井过早破坏的一个原 因。 6 应力集中的影响。矿体的下盘是支承压力 集中部位， 尽管溜井受力状态较好， 但遇到断层及软 弱面， 其压力作用就会显现， 尤其是溜井群存在的部 位， 往往会引起较大的地压活动。 2 严重垮冒溜井返修加固方案研究 4 3 0 4 上矿溜井位于东区矿体的中部， 负责- 3 4 4 -一 4 3 0 m水平的矿石储存和运输任务。 该部 位矿石品位较高， 同时又是采场地压显现十分剧烈 的地区之一。由于 一 3 4 4 m水平采动地压显现剧 烈， 巷道变形破坏严重， 造成4 3 0 4上矿自一 3 3 0 m 水平向下发生规模不等的垮冒。溜井内已充满冒落 的矿石， 致使在一 4 3 0 m水平无法正常放矿， 严重影 响到一 3 4 4 m水平1 4 一1 9 上盘进路的回采进度。 因此， 对该溜井的恢复加固刻不容缓。 考虑到4 3 0 4 上矿溜井垮冒的实际情况并不十 分清楚， 加之一 3 4 4 m水平1 4 一1 9 “ 上盘进路垮冒 破坏严重， 即使花较大的工程代价恢复了溜井的使 用功能， 也无法确保该水平的矿量可以顺利采出。 因此， 在一 3 4 4 m水平恢复该溜井存在很高的工程 安全风险， 故设计从安全条件较好的一 3 6 0 m水平 开始恢复施工。而一 3 4 4 m水平1 4 “ 一1 9 上盘的矿 石可以 借助4 3 0 3 上矿， 通过三强开采和调整回采顺 序等技术措施， 尽可能多地回收矿量。 2 . 1 主要技术困难 1 垮冒程度严重， 垮冒范围过大。首先， 采用 插杆钢拱架支护结构形式通过垮冒区， 形成了一条 2 7 总第3 6 8 期金属矿山 2 0 0 7 年第2 期 长9 . 5 m 、 宽3 . 0 m 、 高2 . 0 m的临时通道。其次， 在间距为5 0 0 m m 。为了加大圈梁的刚度， 增加两道横 上下盘侧采用密集插杆支护条件下， 基本上逐步探撑， 其配筋与圈梁相同， 如图 2所示。隔墙采用 明上下盘侧垮冒 边界如图1 所示。其中， 上盘侧垮小 3 6 圆 钢， 在高度为1 5 0 0 m m的外层钢支架部位， 冒 范围距离原溜井的边界在 1 . 0 - 2 . 5 m之间， 而密排往外层钢支架外端用凿岩机打人， 打到基岩为 下盘侧垮冒范围距离原溜井的边界在0 . 8 一2 . 0 m止， 每根圆钢的长度据实测算， 共施工圆钢地段长度 之间， 该溜井沿矿体走向方向垮冒宽度为9 . 5 m 。为9 5 0 0 m m 。圆钢隔墙施工完毕后， 采用人工将圆 因此， 在一 3 6 0 m水平该溜井的垮冒形状近似为圆钢下的虚碴掏出， 形成宽x 高约为1 5 0 0 m m x 1 5 0 0 形， 其直径约为9 . 5 m 。如此严重的垮冒造成支护m m的空间， 作为加固 混凝土圈梁， 使溜井在第一次 设计的极大困难。下放碴石时， 圈梁和钢支架等工程部位不被破坏。 N 户尸一 日 O 亡a， 为 O 厂/.瓜 刀卜 二’ \\ { \ 一一/ 丫火. . . . ， s \、 V S 4 m 1 l 图1 4 3 0 4 上矿垮冒边界实测 2 上部散体压力较大。由于该溜井垮冒的高 度较高， 上部又没有采取有效的封井等措施， 造成打 插杆支护时压力较大， 支架密度由原来的5 0 0 m m 加密到2 5 0 m m ， 并且在每一支架中间加了支撑， 致 使该溜井的卸矿功能大大降低。 3 整个支护结构无承力基础。目 前， 整个支 护结构无承力基础， 虽然形成了一条临时通道， 但上 盘和下盘侧没有封闭， 致使该溜井无法进行松动放 矿。 2 . 2 支护方案 当初认为 在 一 3 6 0 m水平溜井的垮冒程度较 轻， 设计指导思想是采用插杆钢拱架结构形式通过 垮冒区， 直接截断上部的垮冒 溜井， 然后进行溜井口 的锁口以恢复其卸矿功能。从揭露的实际情况看， 溜井的垮冒范围和程度已大大超出了当初的设想， 原设计意图已无法实现。经研究确定4 3 0 4 上矿的 恢复加固方案如下 1 支护结构承力基础采用混凝土箱型承载圈 梁结构支承上部压力。 设计混凝土箱型承载圈梁高 6 0 0 m m 、 宽4 0 0 m m 。混凝土强度等级为C 2 5 ， 钢筋 保护层厚度5 0 m m , 钢筋搭接长度为3 0 ， 弯勾长度 为2 5 d d 为钢筋直径 。配筋采用双层配筋 主筋 和辅筋均为小 2 5 螺纹钢， 间距为2 5 0 m m ， 箍筋为 小 2 0 螺纹钢， 间距为2 5 0 m m ， 拉筋为0 8 普通钢筋， 2 9 图2 混凝土承载圈梁结构 2 根据现场情况， 整个钢筋混凝土圈梁的底 部标高在一 3 5 9 . 7 m水平 比3 穿巷道底板低3 0 0 m m ， 两端搭接在稳定的基岩上， 搭接长度不少于 1 5 0 0 m m 。 因为溜井下部垮冒的情况不明， 为确保 其稳定， 在承载圈梁的两侧靠近基岩的部位各施工 固定的加强圆钢1 0 根， 并与圈梁一起浇筑， 圆钢直 径为3 6 m m， 长度为2 5 0 0 m m 3 保留原通道的钢拱架支护， 在承载圈梁的 上部重新施工承载墙， 墙厚不小于3 0 0 m m， 确保其 净跨度不小于2 4 0 0 m m ， 与通道同长和同高， 采用 钢拱架与混凝土结构形式， 钢拱架的间距为3 0 0 m m 。 采用斜支承将钢拱架的立柱与顶柱焊接牢固， 与承载墙浇筑在一起， 具体结构形式如图3 所示。 外层钢支架 图3 整体支护结构 下转第6 1 页 樊炳辉等 喷射混凝土机器人工作性能仿真2 0 0 7 年第2 期 1 3 一 1 5 式中， a l- 为末杆绕Z 轴的最大可能转 角; P . -为末杆绕y 轴的最大可能转角; Y m ax 为末杆 绕自身轴的最大可能转角。 在喷巷道拱顶时， 喷射混凝土机器人的灵活度 用主截面转角法求解为 D e x t a m a x 二0 . 2 7 8 , D e x t P m a x 0 , D e x t y m a x 1 。 在喷巷道底边时， 即在其工作空间的最下沿， 喷射 混凝土机器人的灵活度用主截面转角法求解为 D e x t a ,a,1 0 . 2 7 8 , D e x t F N m a x 0 , D e x t y _1 。 可见， 在喷拱顶时灵活度最大， 而在喷底边时， 灵活度较差， 有一个主截面转角D e x t N m a x 二0 o 4 结论 对本机器人工作空间的分析采用了蒙特卡洛方 法， 它可直接把机器人的工作空间用图形显示出来， 简单、 直观。结果表明该机器人的工作空间为一倒 置的“ U ” 形， 此机器人工作空间中无空穴和空洞现 象， 其形状紧凑， 与拱形巷道的截面形状相吻合。 该 喷浆机器人具有较好的灵活性， 其中当机器人对巷 道拱顶进行喷浆作业时， 灵活度最大; 而在喷巷道底 边时， 灵活度最小。不过可以满足生产实际需要。 参考文献 李云江， 吕爱民. 喷浆机器人大臂的有限元分析【 J ] . 金属矿 山， 2 0 0 6 4 4 8 - 5 0 . 朱世强， 王宣银. 机器人技术及其应用〔 M] . 浙江 浙江大学 出版社， 2 0 0 1 . 方再根， 计算机模拟和蒙特卡洛方法【 M] . 北京 北京工业学 院出版社， 1 9 8 8， 、、， 。，。 八 n ‘， 。。 1 、 Nl D W IVX I- . 收稿 日 期2 0 0 6 - 1 2 - 2 1 [lj圈川 上接第2 8 页 4 工字钢采用1 1 号矿用工字钢， 沿承载梁底 部布置2 根， 间距2 0 0 m m 。工字钢采用螺栓连接， 两根工字钢的连接位置应错开1 0 0 0 m m以上。在 钢筋混凝土圈梁上部敷设与承载梁同宽的厚 1 0 m m 钢板， 作为内层钢支架的支撑钢板。 5 在靠近1 6 号进路的部位， 由于跨冒边界比 较大， 有几架钢支架立腿没有在基岩上， 为确保其稳 固， 在1 6 号进路和圈梁同时浇注一段支撑梁。 6 3 穿联络道现浇混凝土长度为4 5 0 0 m m , 净宽为3 3 0 0 m m， 净高为2 8 0 0 m m, 混凝土厚度为 3 0 0 一5 0 0 m m , 1 6 号进路现浇混凝土长度为 1 1 0 0 0 m m ， 净宽为3 3 0 0 m m ， 净高为3 2 0 0 m m ， 混凝土厚 度为3 0 0 一5 0 0 m m， 标号为C 2 5 a 7 插杆钢支架参数按照实际情况测算， 外层 共3 7 棍。在开始部位插杆采用钎杆和钎头， 共使用 6 0 套2 . 5 m长钎杆和直径4 2 m m的合金钢钎头。 内 层钢支架间距为3 0 0 m m ， 共2 5 架。 8 以上工程施工完毕后， 为确保上部结构工 程稳定和出矿生产的安全， 在放渣过程中需对一 3 6 0 m- - 3 7 7 . 5 m井壁进行必要的锚喷网加固， 其支 护参数为 弯钩砂浆锚杆长度为1 8 0 0 m m， 杆体直 径1 8 m m ， 锚固 形式为全长胶结式。锚杆排间距 8 0 0 m m x 8 0 0 m m ， 钢筋网度 2 5 0 m m x 2 5 0 m m， 钢 筋直径6 m m ， 喷层厚度5 0 m m 3 结论 1 通过调查， 采区溜井总的破坏率达到 2 4 . 5 , - 3 1 6 m水平以下溜井破坏明显加重， 东区 东翼的溜井破坏率较高， 尤其是3 一5 穿。其破坏 形式及功能丧失的主要表现是 井壁片垮导致井径 扩大、 溜井无法封井和截井、 堵塞和溜井联络道破坏 等。 2 在溜井破坏宏观调查与分析的基础上， 总 结出断层破碎带的存在和节理裂隙发育、 围岩自 身 的膨胀和流变特性、 工程环境差、 井筒不支护或支护 强度低、 管理使用不当和应力集中的共同影响是造 成溜井严重垮冒的原因。 3 采用混凝土箱型承载圈梁整体加固方案恢 复垮冒严重的4 3 0 4 上矿溜井， 较好地解决了垮冒范 围过大、 上部散体压力大和整个支护结构无承力基 础的技术难题， 工程应用效果良 好。 4 今后应进一步加强对采区溜井的使用管 理， 对围岩条件比较差的溜井掘进过程中应采取必 要的加固措施， 以保证其在服务年限内的稳定。 参考文献 宋卫东， 王金安， 匡忠祥. 程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定性 数值分析[ J ] ， 北京科技大学学报， 2 0 0 0 , 2 2 4 2 9 2 一2 9 5 . 宋卫东， 匡忠祥. 采场溜井加固工程围岩稳定性数值计算分析 [ J ] . 金属矿山， 2 0 0 1 6 2 3 - 2 8 . 明世祥. 地下金属矿山主溜井变形破坏机理分析【 J ] . 金属矿 山， 2 0 0 4 1 5 - 8 . 隆向阳. 溜矿井堵塞原因及其对策浅析【 J ] . 金属矿山， 2 0 0 4 9 7 2 - 7 3 . 何标庆. 南方露天矿山溜井堵塞机理分析【 J ] .矿业快报， 2 0 0 5 3 1 7 - 1 9 . 收稿日 期2 0 0 6 - 1 2 - 0 9 [lj川 ﹁一一︺﹁一一︺﹁一一﹂ 门J4lf︸ r..JL..LL..L