南非深豎井施工關(guān)鍵技術(shù)研究

孫 揚

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

南非深豎井施工關(guān)鍵技術(shù)研究

孫 揚

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

隨著井筒深度的增加，深豎井施工遇到了諸多困難和問題，以提升吊掛技術(shù)制約井筒向縱深延伸最為顯著?；谘芯恐袊鴤鹘y(tǒng)豎井施工工藝和配套技術(shù)，分析制約國內(nèi)深豎井施工工藝中懸吊設備設施、安全保障、水害防治等關(guān)鍵技術(shù)難點，對標研究南非解決深豎井施工技術(shù)難點的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究內(nèi)容可為升級國內(nèi)深豎井施工工藝及配套技術(shù)提供重要依據(jù)，對儲備2 000m以淺深豎井施工關(guān)鍵技術(shù)具有重要借鑒意義。

深豎井施工； 工藝特征； 鑿井關(guān)鍵技術(shù)

1 前言

“十三五”開局之年，國家啟動《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》面向2030年“深度”布局，提出了“深空、深海、深地、深藍”一系列重大項目與國家科技重大專項[1]。在“深地”重大系列專項研究中，提出爭取到2020年，全國形成至2 000m礦產(chǎn)資源開采、3 000m礦產(chǎn)資源勘探成套技術(shù)能力，儲備一批5 000m以深資源勘查前沿技術(shù)，顯著提升6 500m至10 000m油氣勘查技術(shù)能力的目標要求。

長期以來我國礦產(chǎn)資源開采的深度多數(shù)處于1 000m左右的開采范圍，進而形成了成熟的第四系淺部地層成套技術(shù)，對于超過1 500m深度開采技術(shù)研究較少，缺乏開采深地資源的技術(shù)儲備。近年來，隨著淺部資源的不斷減少，礦山正在逐漸向1 000m至1 200m的開采深度邁進，少數(shù)的金屬礦井正在建設超過1 400m的深井開拓系統(tǒng)。然而，不完全統(tǒng)計國外非煤礦山，其開采深度1 000～2 000m 的有60多座，2 000～3 000m的有十幾座，3 000m以上的有10座[2～3]；其中最深的是南非卡里頓維爾金礦，豎井埋深4 176m，開采深度已達3 800m。

當前國內(nèi)的豎井施工技術(shù)能夠滿足1 500m左右的深豎井施工，已成功在思山嶺鐵礦副井(1 503m)和會澤鉛鋅礦3#豎井(1 526m)應用[4]。但隨著深度繼續(xù)增加，鋼絲繩自重的不斷增加導致提升效率下降、提升機載重增大、提升穩(wěn)車能力增加；同時，導致通風降溫困難，排水揚程增大，鑿井、安裝精度保證困難，以及安全風險增加等諸多問題。同時，受深部地層“高應力、高水壓、高溫”帶來的不利影響加劇，迫切需研究2 000m以淺的深豎井施工關(guān)鍵技術(shù)。在超深豎井建設方面，南非具有建設時間最早、建設深度最深，擁有超深豎井最多等諸多特征，開展南非超深豎井的關(guān)鍵技術(shù)研究對于儲備國內(nèi)2 000m以淺深豎井施工成套工藝及關(guān)鍵技術(shù)具有重要而深遠的意義，對于十三五“深地”研究專項推進具有啟引作用。

2 深豎井施工工藝特征及難點

2.1 中國與南非豎井施工工藝特征

豎井施工具有工序繁雜、工作面狹小、作業(yè)環(huán)境惡劣、施工周期長、不可預見因素多、安全風險大等諸多特點，也是礦山建設過程中危險性最高的關(guān)鍵工程。隨深度增加鋼絲繩自重增加，導致提升設備功率增加、能效下降，相應的成本上升、保證施工精度的技術(shù)難度上升；同時，提升設備上下運行擺動增加，傳統(tǒng)提升吊掛設備設施的運行安全風險加大。開展國內(nèi)外深井施工工藝及特征研究，對于研究解決國內(nèi)深井施工難點問題具有重大意義。

2.1.1 中國豎井施工工藝特征

中國豎井施工通常采用先掘砌施工到底，再一次安裝的施工方案；掘砌采用短掘短砌的作用方式，井筒裝備安裝采用錨桿后固定安裝的方式。鑿井設備設施以鑿井井架作為吊掛結(jié)構(gòu)，應用專門鑿井絞車提升，工作面設備、設施、管線采用地表鑿井穩(wěn)車懸吊。

中國豎井施工工藝方案具有施工管理簡單，工序之間相互影響小，各工種作業(yè)效率高，作業(yè)安全易于保證等眾多優(yōu)點。采用專門鑿井設備設施具有施工準備期短、前期投資少的優(yōu)勢。同時，帶來了地表設備布置復雜，見圖1；施工精度不易保證，隨井筒深度增加施工效率下降、鑿井設備設施規(guī)格增大、施工精度低、施工成本上升顯著等諸多缺點。

圖1 鑿井穩(wěn)車群布置示意圖

2.1.2 南非豎井施工工藝特征

南非豎井施工工藝與中國施工最大的區(qū)別是井架(或井塔)與井筒鎖口段一起優(yōu)先施工，完成上部結(jié)構(gòu)施工后，再施工井筒；井筒邊掘砌邊安裝，鑿井期間可利用井筒永久結(jié)構(gòu)懸掛、導向、固定施工設備設施。鑿井利用永久提升機及井架(或井塔)，作為提升設備和鑿井設施懸吊結(jié)構(gòu)，鑿井期間的管路線纜采用井壁直接固定。豎井施工通常采用掘砌安順序一次成井施工方案，掘砌幾個循環(huán)后，大段高進行安裝。在井筒掘砌期間埋入預埋件，安裝時直接用其固定井筒鋼結(jié)構(gòu)。

南非豎井施工工藝以利用永久設備設施為基礎(chǔ)鑿井，具有措施費用低、施工設備設施可靠度高、施工安裝精度高、井筒裝備可為施工提供便利條件、地表布置簡單等優(yōu)勢；由于其采用永久設備設施，對于深井施工其安全保障可靠性高，具有明顯優(yōu)勢。南非施工工藝采用預先埋設預埋件的方式，施工效率相對較低；鑿井大量利用永久設備設施，使項目前期投資高、工期易受大型設備設施延誤影響。另外，訂貨、采購、掘進、安裝多個階段工作同時展開，使得整個項目管理復雜。

2.2 中國深井施工工藝難點

2.2.1 鑿井井架

傳統(tǒng)豎井施工采用標準的鑿井井架作為提升、吊掛、卸載的構(gòu)筑物，現(xiàn)有的常規(guī)新Ⅳ型和Ⅴ型鑿井井架只能適應于直徑8m、深度1 000m、荷載小于360t的井筒施工。在思山嶺鐵礦副井施工中，由中國華冶研制了最新Ⅵ型鑿井井架，其井架承載能力達到600t。Ⅵ型鑿井井架可以滿足1 500～1 800m、直徑10m的豎井施工[5～6]。為適應2 000m或者更深的豎井，現(xiàn)有鑿井井架不能適應超深井施工要求，需要研究新型的鑿井井架。

2.2.2 提絞設備

對于2 000m井筒，至少需要選用φ5.0m的大直徑提升機，配用進口鋼絲繩和小吊桶；對于大直徑的井筒，為了提高提升效率，甚至需要選用φ5.5m和φ7.0m的提升機。鋼絲繩自重的加大，鑿井須選用相應的大載重穩(wěn)車，目前國內(nèi)的鑿井穩(wěn)車最大載重40t，當深度達2 000m時需要研究50t大型穩(wěn)車。

2.2.3 提升和懸吊安全保障

與千米深豎井鑿巖提升相比，提升、懸吊安全風險大大加大。以選用德國的DIEPAD 1315 CZ- Φ42- 2160鋼絲繩為例計算，每米重量8.56kg；當鋼絲繩懸吊高度2 000m時，總重量達到17.12t。鋼絲繩自重及井筒大型化設備使得提升重量增加，導致井架天倫平臺和鋼絲繩更容易產(chǎn)生疲勞破壞。另外，井筒深度加大后，傳統(tǒng)鋼絲繩導向水平限制減弱，吊桶擺動幅度加?。贿@使得吊桶碰撞吊盤、井壁的概率大大增加，提升風險增大。

隨著井筒深度、鑿井裝備的大型化、鋼絲繩自重的增加，需要多臺穩(wěn)車提升吊盤及頻繁移動吊盤。由于各臺穩(wěn)車機械、電氣性能、人為操作等存在一定程度的差別，穩(wěn)車啟動升降吊盤過程中易造成鋼絲繩受力不均，引起個別提升鋼絲繩受力過渡集中而導致過載安全隱患；穩(wěn)車數(shù)量越多、井筒深度越大，懸吊鋼絲繩受力不均的概率越高，提升安全風險越大。

2.2.4 地壓災害風險加大

隨著深度的增加，原巖應力及其構(gòu)造應力明顯增加，地壓顯現(xiàn)更為明顯，圍巖巖爆傾向性增大。已有深井礦山開采表明：在進入1 000～1 200m深度后，巖爆傾向性明顯增加，已發(fā)生了多起巖爆事故。會澤3#豎井在施工過程中，發(fā)生了多次巖爆；最嚴重的一次發(fā)生在據(jù)井口埋深1 445m位置。豎井工作面狹小，且無逃生避險區(qū)域，一旦發(fā)生巖爆將對人員傷害嚴重，使得高應力控制成為鑿井過程中災害防控和保證井壁長期穩(wěn)定的技術(shù)難題。

3 鑿井提升系統(tǒng)及安全系數(shù)

3.1 提升懸吊系統(tǒng)

南非礦山基建從計劃建設安排上與國內(nèi)存在巨大差異，首先安排建設豎井井塔或井架，然后安排豎井鑿井施工。這一安排的目的是鑿井施工需要利用永久井架(或井塔)來施工豎井，同時鑿井期間利用永久提升機作為提升設施，解決了國內(nèi)豎井鑿井井架承載力不足、提升機規(guī)格受限等技術(shù)難點，見圖2。

圖2 南非典型豎井施工現(xiàn)場

目前，世界最深的單段豎井為南非SOUTH DEEP礦主井[7]，其井筒深度為2 990.5m，其鑿井工藝采用從地表一次性成井。為解決3 000m超深豎井施工穩(wěn)車容繩量、承載力不足等技術(shù)難題，南非鑿井穩(wěn)車單獨設置容繩卷筒和吊盤上安裝動滑輪組，見圖3。容繩卷筒和動滑輪技術(shù)有效解決了超深豎井施工穩(wěn)車承載力低、容繩量不足的技術(shù)難題。

圖3 超深豎井施工動滑輪組和容繩卷筒設置示意圖

3.2 鋼絲繩安全系數(shù)

在保證規(guī)程安全系數(shù)要求的前提下，隨著井筒深度的增加，對鋼絲繩選型的直徑將越來越大，同時卷筒直徑相應增大。這使得提升機設備更加大型化，而相應的提升機系統(tǒng)的有效承載力反而降低；基建及開采成本急劇增加，直接影響鑿井施工進度及提升能效。偏高的安全系數(shù)規(guī)定一定程度上限制了提升系統(tǒng)向更深更大載重方向發(fā)展，表1是南非和中國單繩提升安全系數(shù)規(guī)程要求[8～9]。

中國鋼絲繩安全系數(shù)(S)的定義是鋼絲繩全部鋼絲破斷拉力總和與其所承受的荷載之比；南非安全系數(shù)(SF)的定義是鋼絲繩最小破斷拉力與其所承受的荷載之比。鋼絲繩破斷拉力總和與鋼絲繩最小破斷拉力之比通常為1.1～1.3，三角股鋼絲繩之比為1.177,圓股鋼絲繩之比為1.3[10]。據(jù)此，將1 500～2 000m深度范圍內(nèi)安全系數(shù)進行換算對比分析，南非安全系數(shù)隨深度增加而相應降低，如表2所示。

表1 單繩纏繞提升安全系數(shù)

選用鋼絲繩最小破斷拉力來定義鋼絲繩安全系數(shù)能夠一定程度規(guī)避制造誤差、斷絲、銹蝕等因素引起的測試誤差，也能更便于使用中鋼絲繩的檢測。南非對于鋼絲繩檢測，不僅進行周期檢測，同時要求設置繩載實時檢測裝置，以提供安全保障。

4 南非鑿井施工配套技術(shù)

通過采用相關(guān)配套技術(shù)，南非超深豎井施工并無國內(nèi)龐大的穩(wěn)車群，除吊盤必須通過穩(wěn)車懸吊外，其余設施采用配套工藝來減少穩(wěn)車使用。通過采用管線沿井壁固定、模板自懸吊移動技術(shù)、掘砌安一體施工工藝、充分利用永久裝備及設施等配套技術(shù)，簡化提升吊掛設施。

表2 南非與中國纏繞鋼絲繩安全系數(shù)對比計算

4.1 模板自懸吊移動

南非采用模板自懸吊移動技術(shù)簡化了地表穩(wěn)車懸吊，該技術(shù)是通過模板類型劃分、吊盤配套液壓缸體、分次澆筑、預埋件固定等一系列聯(lián)合技術(shù)實現(xiàn)的。井壁襯砌模板由上部環(huán)、標準環(huán)、關(guān)鍵環(huán)和底環(huán)組成，其中底環(huán)和關(guān)鍵環(huán)是固定預埋件和吊掛固定的關(guān)鍵所在。分次澆筑主要是指每一個段高井壁分多次澆筑，按照底部、中間、頂部的順序澆筑井壁的混凝土襯砌。通過吊盤上設置小型提升設施實現(xiàn)襯砌模板移動，移動后吊掛于上一段高的預埋件上。在澆筑底部井壁襯砌環(huán)之前，通過吊盤底部設置的折頁及伸縮支撐缸體形成承托體，同時將相關(guān)預埋件設置在該襯砌環(huán)中。

4.2 井筒超前探水注漿工藝

地層含水是不可避免的實際情況，如何合理、經(jīng)濟、安全地防治水是豎井施工的永恒課題。鑿井期間面臨著井壁滲水、工作面涌水、突水等一系列的水害問題，且隨著井筒深度的增加風險加大；同時，隨著水壓的升高，防治水的難度越來越大?！队猩饘俚V山井巷工程施工規(guī)范》中規(guī)定井筒通過單層涌水量大于10m3/h的含水層，或有0.5m3/h以上集中出水點，豎井井筒應進行注漿堵水[11]；同時《有色金屬礦山井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范》中規(guī)定井筒深度超過600m時，其建成后的總漏水量不大于10m3/h，無單點超過0.5m3/h的出水點[12]。按照規(guī)范規(guī)定中國豎井施工按照有水治水的原則施工，而南非規(guī)程則要求豎井鑿井期間主動探水堵水。

南非規(guī)程要求豎井施工期間，必須實施工作面同步連續(xù)超前探水注漿施工。通常的做法是采用超前若干個循環(huán)進尺，繞井筒一周施工若干個探水注漿孔，見圖4，且這些孔均進行注漿封堵。這種主動超前探水注漿工藝具有明顯優(yōu)勢：能夠有效實現(xiàn)井筒縱深連續(xù)裂隙封堵，有效防止突涌水災害發(fā)生，有效加固井筒四周圍巖，一定程度上緩解了井筒高應力集中。

圖4 超前探水注漿孔布置示意圖

4.3 動滑輪吊盤

根據(jù)掘砌安一次成井工藝要求，通常情況下南非施工井筒中設置一個多層吊盤或者設置兩個吊盤，用于掘進及安裝使用。為符合動滑輪懸吊要求，吊盤頂部設置了滑輪以及其它配套工藝需要的結(jié)構(gòu)，以滿足其深井施工工藝要求。通過動滑輪裝置來減小對單根鋼絲繩的承載力要求，以滿足深井施工要求。

5 結(jié)論

解決深豎井施工的關(guān)鍵是解決深井提升設備和設施懸吊及精度保證，本文深入對標研究南非深豎井施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)論表明如下。

(1)南非深豎井施工采用的提升吊掛系統(tǒng)、模板自懸吊移動技術(shù)、管線固定工藝等關(guān)鍵技術(shù)充分利用了永久設備、結(jié)構(gòu)和設施，有效解決了國內(nèi)鑿井井架承載力不足、穩(wěn)車承載力不足、鑿井提升機直徑受限、深井能效低、深井安全保障困難等技術(shù)難題，也避免了復雜龐大的穩(wěn)車群布置問題。在深井高應力動壓控制及水害防治方面，超前探水注漿工藝有效降低了突涌水災害發(fā)生概率，實現(xiàn)了井筒縱深連續(xù)裂隙封堵；同時，有效加固井筒四周圍巖，一定程度上緩解了井筒高應力集中。

(2)南非的安全系數(shù)規(guī)定為深井施工提升創(chuàng)造了有利條件；同時，其規(guī)程規(guī)定了嚴格的鋼絲繩檢測要求，為降低的安全系數(shù)提供了保障。國內(nèi)應加強研究論證，為修訂相關(guān)規(guī)程標準提供依據(jù)，為深井施工創(chuàng)造有利條件。

豎井施工中受惡劣環(huán)境、地球引力及自轉(zhuǎn)、測量誤差累積等因素影響，如何保證施工精度的問題也是深井施工中重要的關(guān)鍵技術(shù)，應深入研究南非深井(如SOUTH DEEP礦近3 000m單段井筒)施工中的精度控制技術(shù)。另外，如何解決深井“三高一擾動”所帶來的困難(如巖爆災害)，須深入研究南非、加拿大等深井較多國家的成熟技術(shù)措施，為儲備“十三五”重大研究專項中2 000m以淺深豎井施工成套工藝及關(guān)鍵技術(shù)提供重要技術(shù)保障。

[1] 新華網(wǎng).深空·深?！ど畹亍ど钏{——“十三五”科技創(chuàng)新“深”意何在[EB/OL]http:∥news.xinhuanet.com/tech/2016-08/08/c_1119356682.htm，2016-8-9.

[2] 古德生,周科平.現(xiàn)代金屬礦業(yè)的發(fā)展主題[J].金屬礦山，2012,(7):1-8.

[3] 古德生.金屬礦床深部開采中的科學問題[A].科學前沿與未來(第六集)[C].北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.192-201.

[4] 孔繁軍.大直徑1 500m深豎井施工技術(shù)難點與對策分析[J].中國礦山工程,2015,44(1):35-37.

[5] 趙興東,劉巖巖,等.深豎井開鑿提升懸吊系統(tǒng)設計與工程應用[J].采礦技術(shù),2015,(6):84-86.

[6] 曾憲濤,楊永軍,等.會澤3#豎井巖爆危險性評價及控制研究[J].中國礦山工程,2016,45(6):1-8.

[7] South Deep Gold Mine Technical Short Form Report[R].GOLD FIELDS,Dec.31,2012.

[8] South Africa Bureau of Standards.SABS 0294[S].The performance,Operation,Testing and Maintenance of Drum WindersRelating to Rope Safety. South Africa,2000．

[9] GB 16426- 2006,金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].

[10] GB8198-2006,重要用途鋼絲繩[S].

[11] GB 50653-2011,有色金屬礦山井巷工程施工規(guī)范[S].

[12] GB 51036-2014,有色金屬礦山井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

Research on the key technology of deep shaft sinking in South African

With the increasing of shaft depth, deep shaft sinking has encountered many difficulties and problems. The most significant difficulty is the hoisting and hanging technology which restricts shaft sinking to more depth. Based on the study of Chinese traditional shaft sinking technology and relative technology, the key technical difficulties restricting the suspension equipment and facilities, safety and water control during shaft sinking were analysed. To solve the problems, corresponding shaft sinking technologies in South Africa were researched. This can provide important basis for upgrading Chinese shaft sinking and relative technology of deep shaft. It has great significance for researching deep shaft sinking technology of shallower shaft than 2 000m.

deep shaft sinking; technology characteristic; shaft sinking key technology

1672-609X(2017)05-0060-05

TD262.1+1

A

2017-07-24

孫 揚(1985-)，男，陜西榆林人，碩士，工程師，主要從事金屬礦山井巷工程及巖土工程的相關(guān)咨詢設計、科研工作。

國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0600803)