豐山銅礦主溜井垮塌原因分析

馬 杰

(大冶有色設(shè)計研究院有限公司, 湖北黃石市 435005)

豐山銅礦主溜井垮塌原因分析

馬 杰

(大冶有色設(shè)計研究院有限公司, 湖北黃石市 435005)

針對豐山銅礦修復(fù)加固前后均發(fā)生連續(xù)垮塌的情況,分析總結(jié)了垮塌機理和原因,對類似出礦量大、服務(wù)年限長的溜井維護管理有借鑒意義。

溜井垮塌;巖體結(jié)構(gòu);滑塌體;維護管理

豐山銅礦是大冶有色金屬公司的主要生產(chǎn)礦山,礦床含銅、金、銀、鉬等多種金屬,可選性好,地理條件優(yōu)越,井下礦石生產(chǎn)規(guī)模為 2200t/d。

豐山銅礦原主溜井的結(jié)構(gòu)形式為多中段卸礦單段垂直溜井,直徑為 5m,標高從-150m到-320 m,未支護,主要承擔-150,-200,-260m3個中段的礦石集貯與轉(zhuǎn)運。1999年建成投入使用。

1 垮塌狀況

2007年 5月,礦山例行安全檢查時發(fā)現(xiàn)主溜井垮塌嚴重(見圖1)。經(jīng)放礦后檢測,井筒內(nèi)凈空跨度最大有 15m,最小也有 9m,垮塌量有 6000多m3。

圖1 主溜井破壞復(fù)合斷面和修復(fù)加固

該主溜井是豐山銅礦礦石提升的唯一通道,為防止垮塌進一步加大,2007年底用時 2.5個月進行了修復(fù)加固。2008年 4月安全檢查時又發(fā)現(xiàn)主溜井再次垮塌且垮塌的寬度較支護前增加了 2.8m,長度向東南延伸了約 4m,主溜井破壞邊界距離主井最短距離小于 8m,距-260m卸礦繞道西段的距離縮短,-260m卸礦繞道東段已破壞(見圖1)。

2 工程地質(zhì)

豐山銅礦原主溜井的圍巖主要為大理巖、白云石大理巖、蝕變大理巖(蛇紋石化),其中穿插花崗閃長斑巖。受熱接觸變質(zhì)作用,巖漿侵入圍巖中,其熱力使碳酸鹽巖發(fā)生重結(jié)晶變質(zhì)為大理巖-白云石大理巖。其中蝕變大理巖顏色為黑灰色,塊狀,巖石穩(wěn)固性較差。

巖石巖溶作用中等,裂隙較發(fā)育,裂隙密度為 2～12條 /m,巖石普氏系數(shù) f=6～8,RQD值 70%～90%,單軸抗壓強度δc=85～105MPa。巖體被多組不同方向的節(jié)理所切割,易產(chǎn)生冒頂或片幫;圍巖蝕變強烈,綠泥石化、蛇紋石化、高嶺石化十分普遍,強蝕變巖石遇水即軟化、泥化,易自然垮落。

3 垮塌機理分析

一般情況下,溜井井筒由于受溜放礦石的沖擊磨損作用,溜井斷面不斷被磨大,而溜井的磨損速度會逐漸降低。由于溜井磨損后,斷面不斷地增大,礦石下落時向中心落礦的趨勢逐漸發(fā)展,礦石對溜井井壁的沖擊次數(shù)隨之減少,井筒圍巖趨于穩(wěn)定。

豐山銅礦主溜井使用近 9a,井筒內(nèi)圍巖垮塌凈空跨度最大有 15m,最小也有 9m,較設(shè)計大數(shù)倍,井筒修復(fù)加固后不到半年,又重新垮塌且垮塌程度和速度較修復(fù)加固前更嚴重。

決定井下工程圍巖穩(wěn)固性的自然因素中,巖體的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵因素。豐山銅礦主溜井圍巖裂隙較發(fā)育,裂隙密度為 2～12條 /m,巖體被多組不同方向的節(jié)理切割形成天然不連續(xù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,導(dǎo)致開挖體巖體結(jié)構(gòu)破壞。

從兩次井筒垮塌復(fù)合圖和修復(fù)加固時的現(xiàn)場觀察,有裂隙帶沿垮塌長軸方向穿過井筒,標高位于-230～-310m間,且?guī)r體被多組不同方向的節(jié)理所切割,存在大量潛在滑塌體,貯放礦不停地擾動塊體平衡,使脫離塊體平衡的塊體隨礦石被放出,井筒斷面因此逐漸增大,而更大量的潛滑塊體發(fā)生聯(lián)鎖滑塌使井筒垮塌不斷向深部擴展。

4 修復(fù)加固后的垮塌原因分析

加固方案:主溜井-200m以上采用錨網(wǎng)噴加固,-200m以下暫時只修復(fù)長軸方向的凹陷部分,使修復(fù)后的兩面墻間距為 8m。鋼筋混凝土壁厚 1 m,外圍充實低標號混凝土。歷時兩個半月施工,用混凝土 5000m3,鋼材 300多 t(見圖1)。修復(fù)后很快垮塌,主要原因為:

(1)施工時為保證施工安全,對井壁的浮石進行了清理,使井筒斷面、圍巖暴露面積增大,潛在滑塌體、關(guān)鍵塊增多。

(2)壁后充填低標號混凝土經(jīng)多次倒運下放,到工作面時,已發(fā)生離析,由于充填壁厚量大,當振動棒未打到位時,其充填密實度、強度達不到設(shè)計要求時,只是一堆松散體。

(3)施工方案只是加固垮塌長軸方向,未整體加固。井下空氣的濕度大,澆灌混凝土水化產(chǎn)生的熱量使井筒溫度升高,濕度變大。主溜井圍巖蝕變強烈,綠泥石化、蛇紋石化、高嶺石化十分普遍,強蝕變巖石遇水即軟化、泥化,易自然垮落。未加固的圍巖軟化、泥化,自然垮落,使松散充填體暴露出來,松散體流動性大,隨著貯放礦的沖擊撓動,松散的充填體大量流出,出現(xiàn)壁后大面積的空洞。

(4)壁后空洞的出現(xiàn),使?jié)撛诘幕w臨空、滑塌,當松散體和新的垮塌圍巖隨礦石放出后,長軸方向澆筑的兩堵墻孤立于井中,井筒斷面變大,隨著垮塌面增大,潛在滑塌體發(fā)生聯(lián)鎖滑塌,破壞程度增大。

(5)孤立于井中長軸方向澆筑的兩堵墻隨著壁后滑塌體的聯(lián)鎖滑塌和放礦沖擊,井壁薄弱部位由于受力不均開始破壞、垮塌。

(6)破碎帶以外的井筒上下部圍巖解理發(fā)育,井筒內(nèi)礦石放空時,上部圍巖因懸空面積過大,大量片幫冒頂,下部圍巖受上部大量片幫冒頂沖擊,斷面變大。

5 結(jié)束語

實踐告訴人們當溜井通過礦石量大、服務(wù)年限較長時應(yīng)注意:

(1)當溜井采用不支護設(shè)計時,溜井所穿過的巖層要求必須避開裂隙發(fā)育地帶、褶皺、溶洞、斷層和破碎地帶且?guī)r層穩(wěn)定整體性好。應(yīng)充分考慮溜井垮塌后的影響,與其它豎井、硐室、巷道安全距離盡可能大一些。

(2)對于節(jié)理裂隙發(fā)育的溜井,垮塌后的加固應(yīng)采取井筒整體鋼性加固,對裂隙發(fā)育、垮塌后充填地段要采取壁后注漿固化處理,減少潛在的滑塌體的數(shù)量。

(3)主溜井是礦山生產(chǎn)出礦咽喉要道,平時要加強檢查和監(jiān)護,出現(xiàn)異常情況及時研究處理,否則垮塌嚴重時,維修處理時施工安全、施工質(zhì)量、處理效果保證難度大,工程投資大且影響礦山生產(chǎn)時間長。

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2010-01-28)

馬 杰(1974-),男,湖北天門人,工程師,主要從事礦山建井技術(shù)與管理工作,Email:majie@dyys.com。