超深竖井建设基础理论与发展趋势

朱绍培

中煤第五建设有限公司第三工程处 江苏 徐州 221000

引言

在科学技术水平大幅度提升的影响下，使得金属矿床开采的深度逐渐的加深，并且使得深井开采以及深竖井被人们大范围的加以运用。深井开采通常会与岩体种类，应力以及岩体整体温度各项参数密切相关，对于是不是实施深井开采加以分析，借助对勘探，采矿，支护以及针对岩体结构各项参数，周边环境情况，资源开采工作人员等度方面的额因素加以综合分析，特别是工程地质状况，开采技术，地压控制以及矿井通风等各项情况的波动进行全面的分析，制定切实可行的开采技术，这样才能保证开采工作按部就班的进行。在实施深井开采康山工作的时候，需要全面的结合采矿应力，采矿流程等各项工作，并且还需要实际运输情况以及矿山开采收益加综合分析。

1 超深井筒围岩应力解析研究现状

在各种外界作用力的共同作用下，最终造成的深度岩体破坏与浅层岩体破坏都存在明显的差异。因为超深竖井结构周边岩体结构情况会随着深度的不断延续而逐渐的变化，进而会出现结构损坏的情况，最终会引发井筒周边岩体结构受到的压力会越发的严重，引发大面积的结构形变或者是岩体危险事故的发生，并且动力干扰影响会越发的凸显。井筒周边岩体压力是竖井挖掘工序中都会遇到的问题，也是导致井筒周边岩体以及井壁支护机构发生形变的主要根源。针对井筒周边岩体应力开展的研究工作发展历程较长，可以将其划分为三个不同的时期，即古典压力理论阶段、散体压力理论和弹塑性压力理论三个时期。自从上世纪中期开始，国内计算竖井井筒压力工作的开展通常只是利用的海姆公式(HeimA)、郎金(RankineWJM)和金尼克理论，这三种理论对横向方向的应力计算都是由纵向地应力与侧面压力参数的乘积来获得的，纵向应力的结论是由上层岩体容重与结构纵向高度的乘积来确定的，存在差异的是侧面系数的变化以及岩体结构的高度的参数变化范围，因为井筒的纵向深度较小，进而往往人们对上述理论通常都会判断为正确。

2 井筒断面结构设计

针对垂直井体断面实施挑选的时候，需要对矿井的使用时长，通风情况需求，地质结构情况以及项目整体花费加以综合分析。纵向井断面结构通常都是矩形形式。在前期浅层掩埋竖井的时候，断面往往采用的是矩形断面井筒结构，在全面的联系井筒结构设置方向之后，在遇到井筒周边岩体结构作用力较小的时候，设计的矩形井筒断面纵向轴方向往往会与整个矿体形成垂直的联系。如果井筒周边横向应力处在较大状态的时候，矩形井筒断面结构长轴方向与最大水平作用力方向会形成平行的状态。在纵向井挖掘深度的不断加大，井筒周边的额岩体结构载荷能力，极限水平应力都会随之加大，在矩形井筒断面拐角处往往会形成高应力集中，最终会导致井筒周边岩体结构损坏的情况发生，矩形断面设计已经无法满足现实的需要，进而矩形竖井断面结构被人们大范围的驾驭应用，并取得了良好的成效。就超深竖井来说，其井体周边岩体结构不但会受到外界结构施加的作用力，并且在井筒最底部在受到各种外界作用力的影响下，会使得井筒在实施挖掘工作的时候，周围岩体结构需要承担的应力超出井筒周边岩体结构强度的时候，会导致井筒结构出现形变的情况，甚至会引发严重的危险事故的发生。

3 施工关键技术难点

3.1 装备性能要求大幅度提高

（1）井架等凿井结构工作荷载更大；（2）凿井提升机静张力、容绳量、保护系统等性能要求更高；（3）稳车悬吊能力要求与控制难度加大；（4）井内结构布置要求与提升摆动控制问题更为突出，安全管理要求更高；（5）超深竖井施工通风、排水难度大幅增加；（6）子系统集成难度大、要求高，需要极高的生产组织和现场管控能力。

3.2 地质环境更加复杂

（1）水压力增加，治水难度加大地质条件复杂，竖井穿过多个不良岩层段和多个含水层，井深1300米以后，可能有水患威胁施工安全，复杂的工程地质条件和水文地质条件对施工效率带来较大影响。（2）地温增加，工作环境恶化井深1200m以后，围岩温度近40℃，1000m以后按2.2℃/百米递增，施工到2010m时，围岩温度将达到50℃以上，将严重恶化工作面的热环境，必须采取有效的降温措施。（3）地压加大，岩爆风险增加大埋深岩土主动压力增大，围岩压力与流塑变形控制更为困难；井筒施工到800米以下时，发生岩爆的可能性增大，对施工安全造成威胁，增加安全管理难度。（4）井壁支护要求更加严格，封水性、韧性、耐腐蚀性要求增加井筒深部井壁在有淋水、涌水、腐蚀的环境下，井壁混凝土强度等级要求高，混凝土应具有耐腐蚀性能，对混凝土质量控制的要求更加严格。（5）井筒装备保护难度加大，损耗增加地下水为具有腐蚀性的盐水，易腐蚀皮肤以及钢丝绳、吊盘等井下凿井设备设施，不仅造成工作环境恶化，而且由于修理、更换被腐蚀的钢丝绳、设备设施等，增加了施工成本和工期。

3.3 施工组织与安全管理更加严格

（1）凿井期间设备配置及井筒断面布置应提前考虑改绞需求，优选最佳方案，使二期工程施工时提升能力最大。（2）超深竖井施工，提绞系统负荷更大、钢丝绳自由悬垂更高、地下水和岩土的主动压力显现更强，对施工组织、技术管理和安全控制提出更高的要求。（3）针对防治水、地温、岩爆、提升吊挂等突出问题，需继续开展研发工作，一方面验证已有成果的可行性、可靠性；另一方面通过不断的优化改进，提高施工总体效率。

4 超深竖井施工技术

在竖井挖掘深度逐渐加大的影响下，竖井挖掘工作的困难也会逐渐的加剧，进而导致安全事故发生的危险因素也在不断地增加。超深井一次成型技术，岩体挖掘技术等相关技术的切实引用会使得施工工序效率逐渐的提升，进而也会有效的提升施工工作的安全性。

4.1 我国超深竖井建设存在的问题

（1）竖井挖掘工作逐渐深入，危险系数逐渐提升。深度较小的千米深度竖井挖掘工程的安全保障技术很显然不能满足更深竖井的挖掘施工工序的运用，怎样从根本上提升超深竖井挖掘工作的效率，并且有效的保证施工的安全性，是现如今整个行业内部最为重要的问题。（2）井筒岩体结构爆炸等低压危险事故的发生所引发的危险后果十分的严重，并且会对井筒结构的破坏程度有所提升。井筒周边岩体结构因为会受到横向结构应力的影响，进而会导致晶体周年岩体结构往往会出现结构爆炸的危险事故，进而会损害到井筒结构的使用时长，进而需要我们深入的针对井筒低压释放支护技术实施研究作用是十分巨大的。（3）竖井底部的高温施工环境十分恶劣，这样不但会导致施工工作效率的降低，并且对于施工人员的身心健康也会造成负面影响。在我国竖井信息化施工技术起源较晚，进而并没有达到较为完善的状态，在实际利用过程中还是存在诸多的问题的，进而需要我们充分的结合实际情况来高效的加以解决。（4）就现如今国内的一次成井技术实际现状来看，并没有达到世界顶级水平，与其他发达国家相比较显得十分的滞后。国外深井工程实施一次成井通常涉及到挖掘，支护，安设几个工序，在井筒结构建造中往往会利用永久井架来实施建造，在实施竖井建造工作的时候，务必要以便施工以便对井筒进行建造，确保竖井结构的建造质量，这样也可以切实的解决竖井施工悬吊的问题。（5）非悬吊为主的机械研发工作水平需要不断的提升。现如今国内竖井结构建造最为常见的就是借助三层吊盘，借助陈旧形式的吊装模式，利用多种类型的机械设备来顺利的完成各项工作。围绕非悬吊为主的核心轨道式自主驱动技术，为超深竖井结构的建造创造良好的基础，就现如今国内规模化的深井工程施工工序来说，尤其是对于那些超深竖井工程施工情况来看，需要针对下列问题加以侧重关注，首先井筒断面结构设计务必要养的遵照规范标准来开展设计工作。其次，结合机械化来更好的提升施工效果和质量。再有充分的结合实际情况来采用适当的方法来开展施工工作。

4.2 综合机械化快速凿井技术

竖井施工工序包括多种工序，进而会使用到大量的不同类型的施工技术，进而也就加剧了竖井施工工作的复杂性，并且竖井施工具有危险系数高，通风阻力大的特征。在实际开展竖井工程施工工作的时候最为重要的是需要前期创建良好的安全施工平台，并且需要切实的对施工机械吊盘加以运用，吊盘可以说是竖井施工工作开展的基础设备。在竖井工程施工中，井筒内实施吊盘的升降操作概率是非常高的，这项操作其实质是借助多个凿井设备同时收放滚筒上的钢丝绳来完成吊盘控制工作的。吊盘在升降的时候，整个结构的盘面务必要保证良好的水平状态，因为首先井筒结构内部空间十分有限，井筒内不但需要安设吊盘，并且还会安设诸多的管道线路，吐过吊盘在升降的过程中出现明显的倾斜势必会造成吊盘和管道线路或者是悬吊其他的设备出现接触而使得设备发生损坏的情况。其次，吊盘上的施工人员，如果吊盘在升降的时候出现倾斜的情况也会对之上的施工人员的人身安全造成一定的威胁，甚至会引发严重的危险事故的发生。再有，如果吊盘在升降的时候发生倾斜的情况，极易被井筒锁住，如果吊车继续升降会增加钢丝绳的阻力，进而会酿成严重的危险事故。就井体建造技术来说，其他国家所实施的竖井施工工序通常都是利用一次成井的技术，也就是挖掘，砌墙，安设各个工序十分的连贯，一气呵成。其他国家深井施工往往所使用的是永久的井架，并且会以吊盘来当做是工作平台，多层吊盘层数量达到了十层，吊盘高度达到了一百五十多米，在吊盘的底部的三层往往被利用到岩体挖掘，井体建造之中，上面的各个层次会发挥出主体结构的作用。在竖井结构建造中，需要对整体结构进行划分，在实施凿井操作的时候，在上层的开拓水平引用马头门来实施上部结构的开拓，有效地提升结构的稳定性，为后续的各项工作的实施创造良好的基础。

4.3 提升钢丝绳

在整个提升系统中，最关键的是提升钢丝绳的选择。钢丝绳选择主要考虑:钢丝绳结构、质量要求、机械特性和公差。当前，对于深竖井提升而言，有以下几个问题需要解决:①如何提高深井提升效率；②钢丝绳的承载能力限制竖井的提升能力；③高效能提升机的技术障碍(800～1000t/h)；④单位提升重量下能量消耗高，比理论计算值高2.2～2.4倍；⑤自动和手动循环运行模式的复杂性，动力荷载对施工和维修的承重构件，可靠性低；⑥对于安装大的构筑物所要求的空间、复杂设计，基建工程和运行的复杂性和持续性，可靠度不高；⑦矿井机房和提升机房的难操纵性和复杂性。

5 结论

这篇文章主要围绕深井开采以及超深井结构建造的国内外实际情况开展全面的分析，针对现如今超深井施工中存在的问题加以研究，并针对性的指出了解决的建议，总结起来集中在下面几方面：（1）为有效提高井筒断面利用率，提出矩形井筒断面形状设计。（2）针对超深井筒所处的复杂应力条件及其诱发的高岩爆风险区域，提出释能井壁支护结构。（3）系统介绍了多层吊盘施工特点，研发非悬吊式吊盘的必要性。（4）针对钢丝绳提升的限制，研发非钢丝绳提升系统，解决超深竖井提升难题。