地下金属矿山主溜井变形破坏机理分析.pdf
S e ri e s No . 3 3 1 J a n u a r y 2 0 0 4 金 母 M E TAL M I NE 总 第 3 3 1 期 2 0 0 4 年第 1 期 采 矿 工 程 地 下金属矿 山 主溜井 变形破坏机 理 分析 明世祥 北京科技大学 摘要主溜井是地下矿山集贮与转运矿岩的咽喉工程, 稳定与否对矿山生产影响极大, 但主溜井既受静载 应力场影响, 又受冲击载荷作用, 受力状态复杂, 稳定性较差, 破坏率一直很高。结合国内几座大型地下金属矿山 主溜井变形破坏情况, 对其破坏机理进行了分析研究。 关键词 溜井金属矿 山地 下开采 井巷 支护 Ana l y s i s o f De f o r m a t i o n De s t r u c t i o n M e c h a ni s m o f M a i n Pa s s i n Un d e r g r o u n d M e t a l M i n e s M i n g S hi x i a n g U n i v e r s i t y o fi e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g Ab s t r a c t Ma i n p a s s i s a t h r o a t e n g i n e e r i n g i n t h e o r e r o c k c o l l e c t i o n,s t o r a g e a n d t r a n s f e r i n u n d e r g r o u n d mi n es a n d i t s s t a b i l i t y c a n h a v e gre a t e f f e c t o n t h e mi n e p r o d u c t i o n .Ho we v e r ,a s t h e ma i n p a s s i s e ff ect e d b y t h e s t r e s s f i e l d o f s t a t i c l o a d a n d t h e i mp a c t l oad,i t h a s a c o mp l e x s t r e s s s t a t e ,wh i c h l ead s t o p o o r s t a b i l i t y a n d h i g h d est r u c t i o n rat e .I n comb i n a t i o n wi t h t h e d e f o r ma t i o n d e s t ru c t io n o f t h e ma i n p a s s i n s e v e r a l l a r g e d o me s t i c u n d e r g r o u n d me t a l mi n es,i t s d est ru c t i o n mechan i s m i s a n a l y z e d . Ke y wo r d s Pa s s ,Un d e r gro u n d mi n i n g o f me t a l mi n es,S u p p o r t o f mi n i n g wo r k i n g s 主溜井是地 下金属矿 山最重要 的采 矿工程之 一 ,井下开采的全部矿岩都 由此集贮和转运 , 它的稳 定畅通与否对矿山生产影 响极大 , 一旦破坏不但影 响生产 , 而且威胁整个溜破系统和主井 的安全。因 此 , 矿山对主溜井 的选位与维护都 十分重视。由于 溜井工程环境复杂 , 又长期受冲击载荷作用 , 稳定条 件恶劣 , 一些生产能力大且 矿岩软破的矿山都存在 主溜井严重变形破坏 问题 , 如 程潮铁矿 、 小官庄铁 矿 、 张家洼铁矿 、 新城金矿等 。破坏轻者需停产长时 间进行返修 , 严重者井简报废 , 给矿山造成了巨大的 经济损失。深人探讨主溜井的破坏机理 , 寻求合理 有效的维护方法 , 对保证 矿山安全正常生产具有极 其重要的意义 。 1 主溜井破坏实例与特征 主溜井是服务年 限较长 、 运行环境恶劣的矿 山 工程 , 变形破坏现 象普遍存在 , 但破坏程度却 因岩 性 、 原岩应力环境 、 卸矿方式 、 使用条件和维护方法 的不 同而有较大差异。下面介绍的是国内几个大型 金属矿山主溜井破坏的典型实例 。 1 . 1 程潮铁矿 该矿是 1 座年产 2 0 0万 t 矿石的大型地下矿山, 先后应用于生产的 4条主溜井 , 其 中 3条发生过严重 垮 冒, 多次停产返修, 给矿山生产造成巨大影响。 1 东主溜井。主要负担 一2 2 0 1T I 中段以上矿 石贮运 , 设计直径 . 5 1 T I 、 高度 1 3 5 m, 位于下盘破 碎的花岗岩体 中。F 9 6主断层在 一1 4 0 ~ 一1 8 0 m 之间与井筒斜交 , 断层破碎带宽 3 ~ 5 m, 岩体裂隙 间都充填有亲水性强的物质 , 遇水易冒落。该溜井 开挖过程中, 遇到此断层就曾发生片垮 , 局部 区段溜 井直径已达 9 m左右 , 后井筒采用浇灌混凝土支护 , 支护厚度 4 0 0 mi l l 。该溜井 1 9 6 9年 1 1 月投产 , 运行 不久井壁就开始发生破坏 , 到 1 9 8 0年 7月发展为大 范围片垮 , 垮 冒后的溜井直径达到 l 6 . 4 m, 使 一1 5 0 m水平候罐硐室开裂悬空 , 片垮空间边缘距 主井井 壁仅剩 4 . 5 m, 严重威胁到主井安全。后东主溜井 被迫停产维修 , 维修时间达 2年, 消耗水泥 2 7 7 0多 明世祥 , 北京科技大学 土木 与环境工程学院 , 教授 , 1 0 0 0 8 3北 京市海 淀区学院路 3 0号 。 5 ; 穗 维普资讯 总 第 3 3 1期 金 属 矿 山 2 0 0 4年 第 l 期 t , 其它充填物料达 1 2 0 0 0 m3 。 2 l 、 2 主溜井。l 、 2 z 主溜井位 于措施井 附近 , 是东主溜井的接续溜井 , 主要负担 一2 2 0 m~ 一 4 3 0 m 中段 间矿石转运 , 溜井直径 m, 溜井 高 度 1 6 0 m, 设 计年最大通过能力为 1 8 0万 t , 服务年 限 1 6 a 。溜井位于矿体下盘, 主要经过岩种有花岗 斑岩 、 压碎中粒花岗岩 、 闪长岩及闪长玢岩体 。岩体 间穿插有众多张、 扭性破碎结构面和软弱层 , 宽度一 般 0 . 5 ~ 2 . 5 m, 软弱夹层多由绿泥石 、 高岭土等粘 土矿物组成 , 遇水膨胀软化。溜井采用 C 3 0混凝土 支护 , 局部为钢筋混凝土 , 支护厚度 3 0 0 ~ 4 0 0 tur n 。 l 主溜井于 1 9 9 0年投产 , 1 9 9 3年 2月井壁发生大 面积片垮 , 通过矿岩量仅 2 0 0万 t , 后经简易维修后 , 又出矿 6 0万 t , 此时井筒片垮加剧 , 溜井直径平均已 扩大到 8 ~ 1 0 m, 垮 冒高度 9 0多 m, 一4 3 0 m 水平 卸矿硐室也片垮掉一半 , 并严重影响到 主破碎硐室 的安全。该井 于 1 9 9 3年 l 1 月开始停产加固, 维修 时间达 1 . 5 a 。在 l 主溜井维修期 间, 2 主溜井开 始运行, 但仅通过 1 0 0多万 t 矿岩量 , 2 主溜井又发 生严重垮冒, 垮 冒高度达 1 2 0 m, 平均 冒落断面积为 1 0 0 m2 , 最大直径达 1 8 m, 一3 6 0 m水平卸载硐室靠 溜井一侧已全部垮掉 。l 和 2 主溜井之间岩柱原 为 2 4 l f l_ , 破坏后最窄处仅剩 8 m, 2条主溜井几乎 冒 通 , 故 2 主溜井也停产返修 , 耗时达 2 0个月。现 2 条主溜井虽经多次维修加 固, 其变形破坏仍未得 到 控制 , 维修间隔时间越来越短 , 对生产的影响也越来 越大。 1 . 2 新城金矿 该矿是 山东黄金集 团公 司的 l座大型地下金 矿 , 设有 2条主溜井 , l 条为矿石溜井 , 净直径 3 m, l 条为岩石溜井 , 净直径 m, 2井相距 l 6 . 7 m, 溜 井高度 1 0 0 m。溜井 位于绢英岩 、 花岗质碎 裂岩 和 黑细花岗岩体 中, 溜井上部岩性坚硬较完整 , 中、 下 部岩体节理裂隙发育 , 并充填有绿泥石 、 高岭土一类 软质矿物 , 稳定性差 , 其 间还有 l 条较大的断层破碎 带斜截 2条主溜井 。溜井采用 3 0 0 tur n厚浇灌混凝 土支护 。矿石主溜井于 1 9 9 7年元月投产 , 运行不到 1 . 5 a , 仅出矿 4 3 万 t , 就发生 了大的垮 冒, 片垮高度 7 0 m, 井简直径从 3 m片垮为 1 5 m, 最大直径达 l 9 m 一3 5 9 m水平 , 平均 冒落断面积为 7 0 m2 , 最大 达 2 2 0 m2 。2井间柱宽度 由 l 6 . 7 m减小到不足 8 6 m, 迫使溜井停止生产进行维修。 1 . 3 小官庄铁矿 小官庄铁矿是具有 2 0 0万 t 生产能力的大型地 下矿 山, 设有东 、 西 2条主溜井, 溜井净直径 似 m, 井深 1 3 5 m, 2井中心距 4 3 . 5 m, 距主井 3 1 . 8 m。溜 井位于矿体下盘的闪长岩、 蚀变 闪长岩中, 岩体破碎 并充填有泥质物 质 , 在整个溜井通过的岩层 中有 3 条大的断层破碎 带穿插。溜井 采用钢筋混凝土 支 护 , 支护厚度 5 4 0 tur n , 局部采用钢轨加 固。2条 主 溜井于 1 9 8 3年掘成 , 1 9 8 5年 9月正式投产使用 , 现 东主溜井已通过矿岩量为 l 0 0 0万 t , 西主溜井通过 矿岩量 8 0 0万 t 。但 2井 自 1 9 8 3年以来变形破坏一 直较为严重 , 先后停产维修过 9次, 其 中大修 3次。 东主溜井破坏最 为严重 , 一3 0 0~ 3 5 0 m之 间片垮 直径达 2 5 m, 片垮高度 9 0 m。当 一3 0 0 m 中段 回采 结束时 , 因溜 井片垮规 模大 , 垮 冒废石无 法 出空 , 一 3 5 0 m中段截 井十分困难 , 后 采用插筋注浆法 才 将上部废石截住。 1 . 4 张家洼铁矿 该矿是与小官庄铁矿 同一类型的矿山, 设有 l 与 2 两条 主溜井 , 溜井净直径 3 m, 高度 1 5 0 m。 位于矿体下盘闪长岩和蚀变闪长岩体中, 其中 一2 0 0 ~一 2 5 0 m之 间存有第三 系砾岩层 与闪长岩接触 破碎带 , 岩体蚀变强烈并含有绿泥石、 高岭土、 蒙脱 石类粘土矿物。溜井采用整浇混凝土支护, 局部 为 钢筋混凝土, 支护厚度 4 0 0 tur n 。 l 主溜井于 1 9 8 9年投产 , 投产 3年后溜井发 生片垮, 片垮直径平均为 1 0 m 左右 , 最大直径达 到 1 8 m。该溜井 几乎 年年 维修 , 1 9 9 7年后 因破坏加 重 , 维修量太大, 矿山只好采用满井放矿的方式带病 运行 , 严重影响了生产能力。 2 主溜井因岩性较差, 在开挖过程中就发生过 严重垮 冒, 并 与 一2 5 0 1T I 水平中段运输巷垮通。后 虽经浇灌混凝土支护 , 但一直未能控制住井筒变形 , 溜井也因此未 能投产。2 0 0 2年 5月突然发生大 的 垮 冒, 井筒井壁全部脱落 , 溜井直径扩大到 2 0多 1 T I , 垮冒高度近 5 0 1 T I 。该井因垮冒严重 , 无法返修而报 废 , 矿山被迫另掘 3 溜井。 1 . 5 江西铜业集团公 司武山铜矿 该铜矿是一座中型地下矿山, 设 2条主溜井 , 净 直径 3 1 T I , 2井中心距 2 0 1 T I , l 主溜井高度为 1 5 7 维普资讯 明世祥 地下金属矿 山主溜井变形破坏机理分析 2 0 0 4年第 l 期 m, 服务 4个中段 。2 主溜井高度 l 1 7 m, 服务 3个 中段 。2条主溜井均设分枝溜井系统。溜井位于志 留系上统砂帽组下段 , 岩石以石英砂岩为主, 岩性硬 而脆 , 节理发育 , 裂隙中充填有矿化物质 。其间有 2 条断层构造与主溜井斜交。溜井于 1 9 9 7年初投入 使用 , 投产 2年后 , 发现 2条溜井从上到下均发生不 同程度的垮塌 , 此时, 2井共出矿 1 0 3万 t 。其中 l 溜井片垮高度达 1 5 0 1T I , 垮 冒空间长轴为 3 2 m, 短轴 为 2 0 m, 井筒最大片垮断面 4 2 0 m2 , 已与相距 l l I -D _ 的回风天井冒通 , 该溜井垮 冒总方量达 1 5 0 0 0 m3 。 2 主溜井垮冒高度 1 1 0 m, 垮 冒空间长轴为 1 7 m, 短轴为 1 3 m, 最大 断 面积 为 1 3 0 m2 , 总垮方 量为 4 5 0 0 m3 , 2条 主溜 井的严 重垮 冒给铜 矿生产造成 巨大损失 。 1 . 6 胡家峪铜矿 该矿为 山西 中条 山有色金 属公 司主力矿 山之 一 ,主矿体南河沟坑 口分一 、 二 、 三期开采 。在后两 期开采过程中, 主溜井都发生过严重的片垮破坏 。 二期主溜井采用接力布置方式 , 从 5 4 0 m水平 至 6 1 0 m水平 , 高度 1 3 0 m, 中间设 2个卸矿水平 , 溜井净直径 m。溜井位于厚层大理岩 中, 中间夹 有黑色片岩和钙质云母岩片岩 , 在 5 6 1 m至 6 0 1 m 遇到黑色片岩破碎带 , 岩体稳定性差 。溜井下部采 用 C 1 5浇灌混凝土支护 , 厚度 3 0 0 mm, 在混凝土 内 井壁上 , 每圈又用 6 2根 5 0 k g / m 的重轨进行加 固, 但其溜井上部未进行支护 。溜井于 1 9 7 7年 6月份 投产 , 1 9 8 1 年溜井上部就发生 了大范 围 冒落, 形成 高 3 1 m, 宽 l 3 ~ 1 5 m, 长 2 0 m 的冒落空间, 此段溜 井因无法维修而报废。为保护主井和下部分溜井 的 使用 , 垮 冒空 间先 用 l 2 0 0 m3混凝 土 浇灌 , 再 用 6 5 0 0 m3 碎石充填。该溜井下部使用 6年后也发生 严重破坏 , 混凝土井壁及重轨衬砌 已全部脱落 , 冒落 体积多达 l 0 0 0 m3 , 5 9 0 m水平 卸载硐室 出现悬空 破坏。 三期开采中 , 主溜井改为单段垂直布置方式 , 服 务标高 3 6 0 4 9 0 m水平 , 高度 1 3 0 m, 其间每隔 5 O m设一中段 卸矿硐 室。溜井 直径 . 4 m, 该 井于 1 9 8 8年投产 , 1 9 9 1年未发生大范围破坏 , 垮 冒高度 4 0 m, 平均片垮断面 9 O m2 , 最大直径达 1 2 m, 垮 冒 空区与 一4 4 0 m卸矿硐室连通 , 与主井间距不足 l O m。为此矿 山被迫于 1 9 9 7年初停产数月进行返修。 1 . 7 小结 由以上 6个矿山 l O余条溜井的破坏发展过程 及片垮状态来看 , 井壁 的变形垮 冒是主溜井破坏 的 主要形式之一。而溜井的破坏都有一个逐步发展的 过程 , 起初都是由一个或数个破坏突发点开始 , 逐渐 由局部破损扩大为大范围片垮 。只是这种渐进发展 过程因溜井长期有矿岩充填 , 不易被人们发现 , 尤其 是井壁初期的变形与破坏更不被人注意 , 当发现破 坏时 , 溜井片垮 已达到非常严重的阶段 。许 多主溜 井破坏实例还表 明, 这些破坏突发点大都发生在卸 矿冲击点和断层破碎带 中, 其片垮断面形状并不 围 绕原溜井中心线均匀向四周发展 , 而多是偏离溜井 中心向一侧 扩展 , 破 坏平面一般都 有长轴和短轴。 在立体空间上 , 破坏范围较大 , 沿溜井整个高度都有 片垮 , 只是不同高度的片垮程度有所不同, 一般在卸 矿冲击点处破坏最为严重。 2 溜井破坏机理分析 主溜井是集多种不利影响因素为一体 的矿山工 程 , 其稳定条件不但受到工程环境的严重制约 , 而且 长期受到许多动态及不确定 因素的影响 , 其变形破 坏机理 比较复杂。但通过对上述多条主溜井破坏状 态的综合分析与 比较可知, 各主溜井 的变形破坏除 有 自身的特点外 , 也具有一定的共性特征。 1 工程地质条件 。岩性条件是影响溜井稳定 的最 主要的因素之一 , 完整而强度高 的围岩具有较 高的抗拉 、 剪性能, 当井筒 开挖后 , 其卸荷松动范围 小, 井壁围岩承载能力高 , 抗 冲击能力也较强。而软 弱破碎的岩体不但卸载松 动圈大 , 抗 冲击破坏的能 力更低 , 特别是井壁有断层破碎带的穿插时 , 对溜井 的影响最大。上述介绍 的 6个矿山主溜井垮 冒都与 软弱破碎带有关 , 最典型的是张家洼 2 主溜井的破 坏 , 该井 一2 0 0 ~ 一2 5 0 m 水平之 间有较宽 的砾岩 与闪长岩接触带 , 砾岩与蚀变闪长岩都具有较强的 水理特性 , 遇水很快崩解软化 , 而在采用天井钻机掘 进过程中, 大量工程用水进入岩体中, 从而引起这些 岩体弱化碎胀 , 承载能力大 幅度下降。后虽采用浇 灌混凝土支护, 但 由于壁后大范围围岩的水理作用 , 所产生的碎胀 和膨胀变形 压力将井壁错切和挤压 , 井壁逐渐与围岩脱离 , 当受到下部扩井爆破震动冲 击后 , 便诱发 了该溜井大范 围的垮 冒。对这些严重 影响溜井稳定 的断层破碎带应尽量避开 , 但溜井 的 位置在很大程度上受主井 位置的制约 , 主井位置一 旦确定 , 溜井 的平面位置就很难进行调整 , 因此 , 溜 井选位应与主井统一考虑。 2 群井效应。主溜井一般都成对布置 , 并紧 ; 圈 维普资讯 总第 3 3 1期 金 氍 矿 山 2 0 0 4年 第 l 期 邻主井 , 相互 间距离仅有 2 0 1 T I 左右 , 在此间柱 中, 同 时还布置有分枝溜井 、 卸矿溜槽 、 卸矿硐室、 观测 天 井等工程 。井巷工程的密集布置 , 一方面造成水平 应力在间柱内过度集中, 另一方面由于围岩受到多 次开挖扰动 , 松动碎胀范围扩大, 相互影响增强。一 些处于较破岩体 中的主溜井, 围岩松动 圈很容易相 互交叉 , 当某一井筒发生破坏变形时, 也必然影响到 另一井筒的稳定 。对于一些经常采用爆破法处理堵 井的矿 山, 爆破产生 的动应力会在相邻井壁产生反 射拉应力和破坏震动 , 加速了邻近井筒破坏。这种 群井连动破坏效应 , 在程潮铁矿 、 武山铜矿和胡家峪 矿等矿山都有明显 的反映。因此 , 在进行溜破系统 工程布置时应充分考虑这种群井效应。 3 冲击载荷。冲击载荷是不言而喻的破坏因 素, 但这种破坏载荷 冲击 能量与 卸矿方式 、 矿 岩硬 度 、 块度及溜井 中矿岩存储高度 等因素密切相关 。 根据室 内与现场 的大量研究, 矿石下 落冲击能量与 距离和速度成正比, 卸矿速度快 、 块度大对井壁的破 坏也大。大量测定结果表明 , 冲击 载荷产生 的破坏 一 般在卸矿点以下 4 0 1 T I 的范围内。为了减小卸矿 冲击载荷对井壁破坏 , 一是增大卸矿点处井简直径 并设缓 冲硐室 ; 二是采用满井放矿方式 , 满井放矿虽 对生产能力影响较大 , 但可大大减 缓溜井 的破坏 。 张家洼铁矿 l 主溜井在井筒大范围垮 冒后 , 采用满 井放矿 , 虽然管理较难 , 但使用效果较好 , 近 4年来 溜井运行一直 比较正常。此例说 明, 适 当提高存矿 高度可有效减轻矿石对溜井的冲击破坏。冲击载荷 同时也与岩石硬度 、 块度有着 明显的关系。金山店 铁矿矿岩比较软, 粉矿较多 , 同时采用 TG 4出矿 , 进 入溜井的矿石块度较小 , 对溜井的破坏也较轻 , 故该 矿采场溜井和主溜井都未发生过大的破坏。而采用 铲运机 出矿的矿山 , 如张家洼铁矿和程潮铁矿 , 采场 溜井常常不加格栅 , 进入溜井的大块多 , 溜井破坏也 相应严重 。因此 , 减少大块和改变卸矿方式是减少 冲击破坏的重要途径。 4 支护强度 。井筒 的破坏 与不 良的支护 相 关 , 不 良支护主要表现为 ①支护强度低。大多数矿 山主溜井采用素浇灌混凝土支护 , 设 计支护厚度一 般 3 0 0 ~ 5 0 0 mm, 却很少采用钢筋混凝土支护。根 据溜井井壁 的受力分析及多条溜井 的破坏形态的分 析结果表明, 溜井 的破坏多是剪切破坏。而素浇混 凝土抗剪能力低 , 在围岩碎胀及膨胀压力 的作用下, 8 素浇井壁很容易发生剪切破坏 。另由于溜井在掘进 过程 中, 遇到断层破碎带 , 井壁片垮常引起井筒毛断 面的扩大 , 但支护时为减少混凝土浇注量 , 井壁扩大 部分往往采用不 良碎石渣充填 , 壁后空隙较大, 混凝 土井壁与围岩体不能形成统一的承载体 , 承载能力 变差。如井壁片垮不均匀, 浇灌井壁四周软硬不一 , 当井壁受到不均衡地 压时 , 更 容易发生剪切破坏 。 ②对冲击点处理不合理 。虽然许多矿山都采用钢轨 和锰钢板来增加冲击点井壁强度, 但这些钢轨和钢 板的固定常采用点焊方式 , 其 固定强度低 , 在受到强 烈冲击和震动后 , 很容易开裂与脱落。因此 , 许多矿 山用于冲击点加 固的钢轨或钢板都过早脱落, 未能 发挥其加 固效果 , 有的还产生副作用 , 加速了井筒的 变形破坏。③当井壁 出现破坏时, 不能及时进行补 强 , 而任其发展, 最后导致大范围片垮这也是造成溜 井垮冒的最直接的原因之一。如能较早发现并及时 补强, 主溜井的破坏是完全可以控制的。 3结论 1 主溜井是地下矿 山生产的咽喉工程, 一旦 破坏后患无穷, 应重视主溜井稳定性研究 , 并从井位 选择 、 结构布置 、 支护和维护等诸多方面对溜井变形 破坏进行综合控制。 2 群井效应是 明显 的, 矿岩破碎而构造应力 大的矿山, 主溜井筒维 护应采用 内加固与外支护联 合维护形式 , 使井壁支护层与围岩形成共同承载体。 3 溜井矿岩储放高度对抑制井壁变形具有较 大作用 , 在不影响生产能力的前提下 , 尽量采用满井 放 矿 。 4 溜井破坏都是从 点上开 始逐渐发展 形成 的, 及时进行补强可起到事半功倍 的效果。在有条 件的情况下 , 应经常对溜井井壁进行检查 , 如发现破 坏点, 及时进行维护 。 5 主溜井破坏与分支溜井及卸矿方式有很大 关系, 矿石对井壁冲击 , 可采用阻尼放矿和缓冲卸矿 的方法来降低 。 参考文献 1 刘永会 , 等 新城 金矿 主溜井塌落破坏分析及其修复 .黄金 , 2 0 0 0 9 2 4 ~ 2 7 2 周建华 . 主溜井垮塌 分析与研究 . 有色矿山 , 2 0 0 1 1 9 ~ l 3 3 高永涛 , 等. 一种治理主溜井特 大塌方 的新 方法岩 石力学与工 程学报 , 2 0 0 2 , 2 1 4 5 4 0 ~ 5 4 5 收稿 日期2 0 0 3 1 0 1 0 蠡 耋 毋浯 爨陵藉■■鞋 矗 棼 蓬簸露弱 l 矬 曼 蠹⋯ ; { ; 维普资讯