趙興東

(東北大學(xué)采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著地下金屬礦床開(kāi)采深度的逐漸增加，“深井(部)開(kāi)采”和“深豎井”兩個(gè)詞應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。深井開(kāi)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(kāi)采，通?？紤]勘探、采礦、支護(hù)以及監(jiān)測(cè)的巖體力學(xué)參數(shù)、環(huán)境條件、開(kāi)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(kāi)采指礦山開(kāi)采深度超過(guò)2 300 m，原巖溫度超過(guò)38 ℃的礦山[2]，超深井開(kāi)采指其開(kāi)采深度超過(guò)3 500 m的礦山。加拿大定義超深井開(kāi)采礦山指在2 500 m以下既能保證人的安全，同時(shí)礦業(yè)公司能獲得經(jīng)濟(jì)效益的礦山[3]；近年來(lái)，作者通過(guò)對(duì)南非和加拿大等多個(gè)國(guó)家深井開(kāi)采礦山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，巖爆等動(dòng)力災(zāi)害、井下高溫以及采動(dòng)地壓是深井開(kāi)采礦山面臨核心難題，因此對(duì)于在深井開(kāi)采礦山，應(yīng)系統(tǒng)研究采動(dòng)應(yīng)力、回采順序，動(dòng)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(shí)還要考慮運(yùn)輸要求與礦山開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益。為有效開(kāi)采深部礦體，通常需要開(kāi)鑿(超)深豎井。在我國(guó)，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(guò)1 200 m深的豎井。

1 國(guó)外超深豎井建設(shè)現(xiàn)狀

目前，世界上開(kāi)采深度超過(guò)2 000 m的礦山主要集中在南非、加拿大、俄羅斯等國(guó)家，其中南非有14個(gè)礦區(qū)開(kāi)采深度超過(guò)2 000 m，部分礦山開(kāi)采深度超過(guò)3 000 m[3]，在2015年，大約40%的金礦開(kāi)采在 3 000 m以下。其中開(kāi)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(kāi)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(kāi)采深度超過(guò)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(shí)間，投資50億美元，開(kāi)鑿了世界上最深的豎井(井深2991.45 m)，將開(kāi)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(kāi)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(kāi)鑿2 195 m深豎井；加拿大Creighton礦開(kāi)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(kāi)采深度3 048 m，其新4#豎井井底深度超過(guò)3 000 m，是世界上采用下向深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采最深的礦山。美國(guó)北愛(ài)達(dá)荷的Hecla Lucky Friday鉛鋅礦，開(kāi)鑿直徑5.5 m、深達(dá)2 900 m的豎井。在北歐開(kāi)采最深的礦為芬蘭的Pyh?salmi礦，其開(kāi)采深度為1 444 m；俄羅斯開(kāi)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(kāi)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(guò)2 400 m，其中Champion Reef金礦開(kāi)拓112個(gè)中段，開(kāi)采深度達(dá)到3 260 m，開(kāi)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(kāi)采最深的礦山為昆士蘭的Mount Isa礦，開(kāi)采深度為1 800 m。

從上述統(tǒng)計(jì)可以看出，世界上開(kāi)采深度超過(guò) 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(kāi)拓，采用充填法開(kāi)采，在加拿大主要采用豎井和斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓，機(jī)械化程度高，主要采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法及下向充填采礦方法。南非主要開(kāi)采黃金、鉆石和鈾礦，在加拿大主要開(kāi)采鎳、銅、金等貴重金屬，且其礦山品位都比較高，開(kāi)采的礦石量不多，但其開(kāi)采金屬量多，噸位礦石開(kāi)采價(jià)值高，噸礦成本低。

2 國(guó)內(nèi)超深豎井建設(shè)現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，目前煤炭行業(yè)超過(guò)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(guò)1 000 m達(dá)到45條，在建或擬建開(kāi)采深度超過(guò)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(tái)溝鐵礦、鞍山陳臺(tái)溝鐵礦、山東濟(jì)寧鐵礦、云南會(huì)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(kāi)采深部礦體，其共設(shè)計(jì)7條豎井進(jìn)行開(kāi)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(tái)溝鐵礦在1號(hào)坑建1 250 m深探礦井[8]；云南會(huì)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(gè)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(kāi)鑿至1 400余m時(shí)，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(kāi)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(shí)，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(shí)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(jì)深度1 598.5 m，副井設(shè)計(jì)深度1 633.5 m。我國(guó)磁西、萬(wàn)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(kāi)始建設(shè) 2 000 m深豎井，國(guó)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(guó)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(lái)勘探技術(shù)水平的提高，深部礦體逐步被發(fā)現(xiàn)，在未來(lái)15～20 年，我國(guó)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(guó)還處于初步發(fā)展階段，與國(guó)外相比具有一定的差距。國(guó)外深井采礦主要集中開(kāi)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(kāi)采規(guī)模都在 8 000 t/d左右，但其礦山利潤(rùn)高；而我國(guó)深井開(kāi)采主要開(kāi)采鐵礦石、銅礦和黃金等，并且相比國(guó)外礦石品位低，需要大功率提升機(jī)與大斷面井筒、規(guī)模化開(kāi)采來(lái)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(dòng)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(xiǎn)等破壞形式，動(dòng)力擾動(dòng)作用更加明顯。

井筒圍巖壓力是在豎井開(kāi)挖過(guò)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(duì)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(gè)階段[11]。20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)計(jì)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(duì)巖體內(nèi)的垂向自重應(yīng)力進(jìn)行估算，此3種理論對(duì)水平地應(yīng)力計(jì)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(shí)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(kāi)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(jì)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(jì)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(jiān)固系數(shù)，而是分層計(jì)算，在計(jì)算中將滑動(dòng)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(jì)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(kāi)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(duì)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(wú)限量增長(zhǎng)，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(wú)限增大的，只能增加到某一數(shù)值。但這些井筒壓力理論沒(méi)有認(rèn)識(shí)到井筒圍巖塌落并不是形成圍巖壓力的唯一來(lái)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(guò)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(yàn)法廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代后，工程巖體分級(jí)由定性向半定量、由單因素向多因素綜合評(píng)價(jià)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(jí)，這些經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(wèn)題和破壞問(wèn)題來(lái)研究井筒圍巖的穩(wěn)定性。關(guān)于井筒圍巖應(yīng)力分布計(jì)算的模型很多，有的假設(shè)地層各項(xiàng)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(duì)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(jì)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(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)井壁所受的壓力無(wú)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(wàn)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(duì)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(cè)，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(duì)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(shí)，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(lái)。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(duì)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(guò)對(duì)煤系地層煤巖和互層硬巖進(jìn)行地應(yīng)力量測(cè)，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(guò)對(duì)兩立井圍巖壓力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，通過(guò)大量的測(cè)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(yàn)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(cè)圍巖壓力推出井壁應(yīng)力計(jì)算公式，并給出了井筒開(kāi)挖端位移釋放函數(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式具有實(shí)踐意義，也存在局限性，由于監(jiān)測(cè)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(cè)和解析原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及其開(kāi)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(jì)的重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)超深井筒科學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)挖的必要前提條件。

4 井筒斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)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(shí)，設(shè)計(jì)的矩形井筒斷面長(zhǎng)軸方向垂直于礦體走向；當(dāng)井筒圍巖水平應(yīng)力較大時(shí)，其矩形井筒斷面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸方向與最大水平主應(yīng)力方向平行。隨著豎井開(kāi)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(jì)逐漸被淘汰，代之采用圓形豎井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)形式。

對(duì)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(shí)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(dòng)等疊加應(yīng)力作用，導(dǎo)致井筒開(kāi)挖后，其圍巖承受的疊加應(yīng)力超過(guò)井筒圍巖強(qiáng)度時(shí)，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(jiàn)，對(duì)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(jì)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(guò)對(duì)60 a來(lái)國(guó)際上豎井施工斷面形狀應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，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(guó)際上豎井設(shè)計(jì)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(jì)Fig.1 Elliptic structure design of shaft cross-section

對(duì)于超深豎井基巖段井壁壓力的計(jì)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?yàn)閄軸，最小主應(yīng)力方向?yàn)閅軸，對(duì)于井筒某一深度，通過(guò)該深度的最小主應(yīng)力來(lái)確定最大塑性區(qū)范圍Rp。當(dāng)井筒向下開(kāi)鑿時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)λ的增大，沿井壁應(yīng)力分布越來(lái)越不均勻，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，井壁局部可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)域。因此，對(duì)于井筒斷面形狀設(shè)計(jì)可以采用外壁為橢圓，內(nèi)壁為圓的井壁結(jié)構(gòu)來(lái)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(jì)

豎井掘進(jìn)到一定深度后，應(yīng)及時(shí)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(shí)進(jìn)行支護(hù)[27]。豎井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)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(guó)主要采用料石襯砌井壁，但由于其施工勞動(dòng)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(wèn)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(jì)，1995—2010年國(guó)內(nèi)采用錨噴支護(hù)的井筒[29-30]共計(jì)73個(gè)，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(kāi)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(dòng)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(dòng)條件，減輕了勞動(dòng)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(guó)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(jí)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(jì)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(jì)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(lái)，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(jì)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(dòng)模板[33]，進(jìn)行了混凝土上料、計(jì)量、攪拌、輸料等機(jī)械化裝備開(kāi)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(guó)豎井井筒的永久襯砌支護(hù)技術(shù)和工藝長(zhǎng)足發(fā)展。

國(guó)外從20世紀(jì)50年代開(kāi)展了解決采動(dòng)和地表下沉對(duì)井壁的破壞作用的研究，德國(guó)于1958年由代爾曼哈尼公司在魯爾礦區(qū)的勝利號(hào)井，首次采用了柔性滑動(dòng)井壁(AV井壁)，并經(jīng)受了幾十年的采動(dòng)考驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，我國(guó)采用這種技術(shù)為開(kāi)灤東歡佗副井設(shè)計(jì)了這種井壁。波蘭布埃斯礦安德哲提6號(hào)礦井在20世紀(jì)80年代，采用了一種雙層滑動(dòng)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(dòng)層可以大大減輕地層豎向變形的影響。D.L.Mckay[34]分析和評(píng)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(guò)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(duì)礦山立井非對(duì)稱的破壞失穩(wěn)過(guò)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(guò)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(guò)程中的壓力變化。

對(duì)于超深豎井開(kāi)鑿過(guò)程，其井筒支護(hù)仍然采用傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)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(dòng)力沖擊作用影響下井筒圍巖的穩(wěn)定。目前，在我國(guó)超深豎井建設(shè)過(guò)程中，云南會(huì)澤鉛鋅礦三期豎井建設(shè)過(guò)程中，其鑿井深度 1 526 m，在其開(kāi)鑿至1 400 m左右時(shí)，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(zhǎng)期穩(wěn)定；撫順紅透山銅礦深部七系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，其開(kāi)鑿盲豎井井底深度在1 600 m，在該盲豎井開(kāi)挖至深1 400 m左右時(shí)，其井筒圍巖出現(xiàn)巖爆災(zāi)害。由此可見(jiàn)，在超深豎井建設(shè)過(guò)程中，在井筒支護(hù)設(shè)計(jì)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(guò)大，造成工程上的浪費(fèi)，井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)小，將影響井筒圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定，影響井筒使用壽命。

對(duì)于巖爆傾向性巖體支護(hù)基本原則為：在開(kāi)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(dòng)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(shí)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(shí)又能確保在巖爆等動(dòng)力沖擊波作用下能夠快速釋放巖爆產(chǎn)生的動(dòng)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(dòng)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(méi)有一套比較成熟的、可供設(shè)計(jì)和施工單位使用的計(jì)算理論與方法設(shè)計(jì)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(jì)井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)，其設(shè)計(jì)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(kāi)裂、破損等事故。因此，通過(guò)在新建超深豎井井筒建立多維數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，對(duì)井筒圍巖體長(zhǎng)期連續(xù)進(jìn)行變形、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)，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(jì)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(kāi)鑿的難度也將越來(lái)越大，安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)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(wèn)題將更加凸顯，對(duì)施工人員、設(shè)備的安全形成巨大威脅。

6.1 我國(guó)超深豎井建設(shè)存在的問(wèn)題

隨著豎井建設(shè)深度的增加，豎井開(kāi)鑿的難度也將越來(lái)越大，安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)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(wèn)題將更加凸顯，對(duì)施工人員、設(shè)備的安全形成巨大威脅。近年來(lái)，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(xiǎn)大大增加。常規(guī)千米級(jí)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(wèn)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(shí)，井筒圍巖產(chǎn)生巖爆災(zāi)害；云南會(huì)澤鉛鋅礦在1 526 m深豎井施工時(shí)，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(dòng)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(guò)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(guó)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(guó)一次成井技術(shù)仍停留在傳統(tǒng)的掘支一次成井情況；國(guó)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(guò)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(guó)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(tái)尤為重要。

對(duì)于我國(guó)規(guī)?；罹ㄔO(shè)而言，特別是對(duì)于 2 000 m超深豎井建設(shè)而言，需著重解決以下幾個(gè)核心理論和技術(shù)問(wèn)題：①井筒斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)挖擾動(dòng)等復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及控制方法；④深井建設(shè)過(guò)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(jì)。

6.2 鑿巖爆破工作

目前對(duì)于金屬礦山豎井開(kāi)鑿而言，國(guó)內(nèi)外主要采用全斷面控制爆破技術(shù)開(kāi)鑿，盡量減少對(duì)井壁圍巖的破壞。現(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(zhǎng)時(shí)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(jì)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。對(duì)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(xiǎn)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(tái)——吊盤。吊盤是豎井掘進(jìn)、砌壁和井筒設(shè)備安裝過(guò)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(tái)，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(guò)程中，經(jīng)常需要升降井筒中的吊盤，這是通過(guò)四臺(tái)穩(wěn)車共同收放其滾筒上的鋼絲繩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。吊盤在升降過(guò)程中其盤面應(yīng)保持水平狀態(tài)，因?yàn)椋孩倬矁?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(huì)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(guò)程中發(fā)生傾斜會(huì)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(guò)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(huì)拉斷鋼絲繩，造成重大安全事故。多層吊盤設(shè)計(jì)及澆筑混凝土井壁設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖2、圖3。

在建井技術(shù)方面，國(guó)外深豎井建設(shè)主要采用一次成井，即掘、砌、安一次成井。國(guó)外深井建設(shè)采用永久井架，多層吊盤作為工作平臺(tái)，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(gè)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(guò)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(shí)，在上部開(kāi)拓水平應(yīng)用馬頭門進(jìn)行上部中段開(kāi)拓，大大縮短了礦山建設(shè)時(shí)間，同時(shí)確保深豎井的快速掘進(jìn)、安裝建設(shè)?，F(xiàn)場(chǎng)施工裝備示意見(jiàn)圖4。

圖2 鑿井用多層吊盤設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)豎井建設(shè)，主要采用3層吊盤作為工作平臺(tái)，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(guó)鑿井還是采取常規(guī)的“九懸十八吊”鑿井懸吊系統(tǒng)，對(duì)于深豎井開(kāi)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(shí)，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?，而目前?guó)內(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(kāi)鑿過(guò)程中，如果吊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)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(tái)；吊盤作為鑿井工作平臺(tái)，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(dòng)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(gè)別應(yīng)力高的鋼絲繩出現(xiàn)“爆股”現(xiàn)象，如若不及時(shí)處理，將嚴(yán)重影響建井施工的安全。現(xiàn)場(chǎng)吊裝吊盤圖片見(jiàn)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng),整個(gè)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(duì)于深豎井提升而言，有以下幾個(gè)問(wèn)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(jì)算值高2.2～2.4倍；⑤自動(dòng)和手動(dòng)循環(huán)運(yùn)行模式的復(fù)雜性，動(dòng)力荷載對(duì)施工和維修的承重構(gòu)件，可靠性低；⑥對(duì)于安裝大的構(gòu)筑物所要求的空間、復(fù)雜設(shè)計(jì)，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。總而言之，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(lái)發(fā)展方向。

7 結(jié) 論

系統(tǒng)總結(jié)了深井開(kāi)采與超深井建設(shè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)國(guó)內(nèi)外超深豎井建設(shè)存在的問(wèn)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(jì)。

(2)針對(duì)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(xiǎn)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(duì)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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