三山島金礦深部復雜條件下盲豎井配套工程建設實踐

李文光 鄧堯增 李宇凱 王明斌 趙洪凱

摘要： 針對三山島金礦盲豎井千米深中段開拓工程設計及其施工面臨的高地溫、巖爆、高壓突水等問題，在工程實踐中開展了綜合研究。建立了多點布置盲豎井鑿井設施的一種井筒掘砌施工方法，使新建工程與已有工程科學結合，減少了工程量;合理布局了通風系統與設施，加快了風流循環速度，降低了硐室內溫度、濕度，提高了開拓作業工效;采用二層聯合掘進施工方法、整體與局部泄壓相結合和及時支護等措施，對巖爆和圍巖失穩進行了有效控制;采用微震技術對富水裂隙帶進行了預測，采取了針對性的上堵下疏工程和安全措施，有效規避了突水災害。配套工程取得了較好的效果，確保了施工安全，為深部復雜條件下盲豎井的施工積累了經驗，值得推廣。

關鍵詞： 深井開采;盲豎井;高溫;巖爆;突水;配套工程????????????????????

中圖分類號：TD26 文獻標志碼：A 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）09-0057-06 doi：10.11792/hj20210910

???引 言

山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）是中國重要的黃金生產基地，井下采用無軌設備開采，其機械化開采程度較高。三山島金礦下設三山島、新立、倉上和曹家埠4個礦區。其中，三山島礦區與新立礦區屬于一個礦段。三山島礦區礦體傾角緩，斷裂構造發育，近礦圍巖多不穩定，局部地段易發生工程地質問題，工程地質條件復雜。礦床地質環境質量類型為復雜，屬于水文地質條件復雜的裂隙充水礦床。

三山島礦區采用深部盲豎井+斜坡道聯合開拓。盲豎井的井口標高為-600 m，井底標高為-1 240 m， 井深640 m，井筒凈直徑5.5 m。盲豎井主要作為三山島金礦擴能擴界工程的進風井，同時兼作輔助提升井。盲豎井設計中將主水泵房設置在-1 140 m中段盲豎井附近，設計正常排水量為17 000 m3/d，最大涌水量為22 000 m3/d。排水系統采用接力倒段式排水，坑內涌水經各中段泄水井下放到-1 140 m中段沉淀池、水倉，由-1 140 m水泵房將坑內涌水經盲通風井、服務井內布置的排水管排到-435 m水泵房，再接力倒段排出地表。要形成以排水能力為主的深部盲豎井配套建設，面臨著深部高地溫、高地應力、高滲透水壓的環境和狹窄空間作業難等問題，給深部工程建設帶來了高溫熱害、巖爆、突水等嚴重威脅開拓工程建設的安全難題[1-4]。

工程實際建設中，在探明工程地質、水文地質等條件的基礎上，建立了千米深度范圍內的盲豎井配套工程提升、災害、施工聯合治理技術，保證了深部開拓工程的順利建設，解決了工程施工臨時提升問題，積累了針對深部地層高地溫、巖爆、突水、施工工藝等工程難題的施工對策與工程經驗。

1 多點布置盲豎井鑿井設施

1.1 改變單水平布置鑿井提升的思路

在現有技術的盲豎井工程施工中，盲豎井鑿井設施一般采用單水平布置形式，其主要缺點是：①井下單水平布置鑿井場地狹窄，安全隱患大;②井下單水平布置需要較多的臨時鑿井硐室，這對永久性系統工程的穩定性產生了比較嚴重的破壞性影響;③措施工程的掘進量大，施工周期長，增加了施工成本。

采用多點布置盲豎井鑿井設施的施工方法，充分利用已有的措施工程及已施工的永久工程，減少了措施工程的掘進量，并提高了施工安全性（見圖1）。

1.2 施工過程

1.2.1 施工方式

采用平行施工方式施工盲豎井井帽工程，作用一：為盲豎井井筒鑿井設施的布置提供條件;作用二：在盲豎井井帽施工中，實現多水平平行、交叉作業的快速掘進。

1）在盲豎井-537 m、-555 m和-600 m處分別施工措施巷道至井筒的位置，然后在盲豎井-537 m 上方施工提升機硐室（長18.7 m，寬14.1 m，高15.65 m）， 并在-555 m施工措施工程巷道、攪拌站硐室、黃沙水泥硐室及石子硐室，并自-600 m開始分別施工-600 m至-575 m礦倉和-600 m至-555 m井筒的小斷面（見圖1、圖2）。

2）在-600 m至-555 m段實施井筒擴刷，并在-575 m施工分配小車硐室。

3）封閉-555 m井口，并在-537 m至-555 m施工導輪硐室（長12 m，寬10.5 m，高9 m）。

1.2.2 鑿井設施的布置及安裝

1）在-537 m提升機硐室、回風巷道和導輪硐室分別進行鑿井用的大型臨時提升設施安裝：在導輪硐室安裝1套鑿井井架，在提升機硐室安裝9臺穩車， 并另行開鑿絞車硐室，在該絞車硐室內安裝1臺2.5 m 絞車。

2）在-575 m利用分配小車硐室，在井帽的井筒內加固-575 m翻矸平臺及翻矸槽，使井筒、中段掘進的廢石通過吊桶經翻矸平臺直接進入-575 m礦倉內，然后轉運至主井，提升至地表。

3）在-600 m安裝井口信號系統和配電系統。人員、材料的下放均設在-600 m井口。原廢棄硐室作為臨時變電所與壓風機房。

1.3 取得的效果

1）改變了以往鑿井措施工程單水平布置的模式，達到了在垂直空間范圍內多點布置盲豎井鑿井設施的目的，同時達到了井筒吊盤、-600 m井口、-575 m翻矸平臺、-555 m攪拌站和-537 m卷揚機運行設備信號一致同步進行的目的。

2）利用-575 m至-600 m的永久礦倉作為卸載礦倉，改變了原來直接用卡車運至地表的運輸方式，卸載后通過運輸大巷由電機車直接運至新立主井提升至地表，大大節約了運輸成本。經核算，實際節約運輸成本9.11元/t。

3）在-537 m提升機硐室和導輪硐室進行鑿井、大型臨時提升設施安裝，在導向輪基礎坑上加工安裝1套鑿井井架，充分利用了已施工工程，同時也避免了在-537 m開鑿太多的硐室對整個提升機硐室穩固性的破壞。

4）在-600 m安裝井口信號和配電系統，充分利用了原廢棄硐室、已施工的井口馬頭門及罐籠組裝硐室，解決了人員和設備的上、下及材料的堆放問題，為井筒安全、高效、快速掘進創造了條件。

2 深部地層高地溫環境特征與降溫技術

隨著礦井向深部開采，許多礦山都遇到了不同程度的熱害問題。礦井氣溫過高嚴重影響人體健康，引發各種疾病，造成事故率上升，生產效率下降[5-8]。

2.1 井下地溫環境特征

1）地溫的影響。根據三山島金礦的地溫資料分析，井下局部地溫梯度達3 ℃/100 m，-1 140 m處的原巖溫度可達38 ℃。地溫是影響井下氣溫的主要因素。

2）熱水的涌出。熱水在流經巷道的過程中，對空氣傳熱導致空氣溫度升高。根據實際調查，-1 140 m中段1385勘探線鉆孔的出水溫度為37 ℃。特別是面臨開拓的-1 140 m中段F3斷裂以南熱水區局部溫度大于50 ℃。

3）地面氣溫的影響。地面氣溫直接影響井下氣溫，一般夏季井下空氣溫度比冬季溫度高3 ℃～6 ℃。

4）機電設備散熱。機械化程度高，機電設備數量越來越多。機電設備運轉后，其產生的熱首先使設備本身升溫，然后再向風流放熱。

5）通風方式、入風質量的影響。三山島金礦盲豎井井口標高為-600 m，經過斜坡道長距離輸送，入風溫度顯著升高;再加上盲豎井開拓，獨頭掘進，掘進頭溫度高達39 ℃。

2.2 井下高溫危害

1）生產效率降低。當等效溫度由27 ℃增加至30 ℃時，生產效率顯著下降;當等效溫度為34 ℃時，生產效率降低為27 ℃時的25 %。

2）事故率增高。資料表明，氣溫在30 ℃以上的工作面事故率比30 ℃以下高出1.15～1.30倍，絕大部分的事故發生在28 ℃以上的工作面。

2.3 降溫工程

盲豎井-1 140 m中段馬頭門的巖石溫度達到38 ℃;新立—三山島F1斷裂是礦區控礦斷裂，北西向斷裂F3為成礦后斷裂，規模較大，為區域性構造，F3斷裂切割F1斷裂含礦蝕變帶礦體。-1 140 m中段深部F3斷裂仍較發育，水熱活動強烈，具有較高溫度的地下水在礦區循環聚集形成地熱異常。因此，造成的礦井熱害熱水分布在F3斷裂南側，面積不大，多為脈狀或裂隙脈狀熱水。為了有效解決掘進的高溫問題，建設過程中合理布局了通風系統與設施。

2.3.1 建立臨時通風系統

1）首先盲豎井施工到底后， 集中在-1 140 m中段貫通，加快施工-780 m盲風井與盲豎井150 m貫通運輸聯絡巷，形成礦井全負壓臨時通風系統（見圖3）。

2）引入新立礦區的新鮮風流，入風溫度為25 ℃， 從根本上解決了超千米深中段開拓入風質量問題。

3）盲豎井與風井貫通前，在-780 m馬頭門安裝2×22 kW對旋式風機，最大進風量為525 m3/min， 通過800 mm風筒把風直接輸送到-1 140 m中段，回風采用2×11 kW對旋式風機的壓、抽混合式通風方式;盲豎井與風井貫通后，2×22 kW對旋式風機移至-1 140 m中段馬頭門，回風采用二級機站設置在-780 m水平的250 kW主扇，主扇回風量約為?110 m3/s，通過風門調整進行回風。

2.3.2 制冷系統掘進面降溫

1 140 m中段F3斷裂以南熱水區局部溫度約為53 ℃，水質為高含鹽量鹵水，氯離子質量濃度高達24 000 mg/L。為改善-1 140 m中段獨頭掘進作業環境，采用1臺水冷制冷機組帶3臺空冷器同時對3個掘進作業面進行降溫。結合井下生產條件，分析掘進工作面熱源特點，計算需冷量（冷負荷），分析臨時通風系統狀況，尤其是制冷換熱后熱量排放方式、途徑，井下水源、水質條件等。最終采用固定式水冷制冷機組+移動式空冷器相結合的長距離掘進制冷降溫方案。

1）制冷機組的冷凝器中制冷劑與冷卻水熱交換，將冷凝熱釋放在冷卻水中，冷卻水采用井下臨時沉淀池出水口水，水溫為40 ℃～46 ℃，熱交換后排至水倉，經排水系統排至地表（見圖4）。

制冷系統主要設備包括井下制冷機組、井下水倉（天然冷卻塔）、冷卻水泵、排水泵、排水管、蒸發器、冷凍水泵、空冷器、軸流風機等。

2）制冷系統主要特點：

（1）末端配套空冷器，順延冷凍水管，供冷方式靈活，適用于井下集中式制冷，供給多個工作面制冷降溫。

（2）制冷機組“化整為四”。 制冷機組選用8臺壓縮機，每2臺壓縮機為1個單元組合，對應1臺鈦合金殼管式換熱器、1臺板式蒸發器，整個主機形成4個單元組合，可同時運行，也可單個運行。 在實際工作中根據需要可任意開啟1個單元組合，壓縮機工作模式為25 %、50 %、75 %及100 %，可大量節約運行費用。

（3）空冷器+軸流風機靈活組合?？绽淦?軸流風機設計為3臺，單臺制冷量為150 kW，風機為2×11 kW，送風量為4 m3/s。3臺空冷器+軸流風機可以任意組合布置，滿足不同采掘作業面要求。

（4）冷凍水泵采用變頻控制。根據作業實際情況調節水量，減少能耗。

2.4 井下降溫效果

1）整體千米深中段臨時通風系統效果。通風降溫改造后，盲豎井井口溫度下降了7 ℃，盲豎井井底溫度下降2 ℃以上;解決了直屬礦區盲豎井井底開拓作業面高溫、缺氧、濕度大、風流循環速度慢等問題;提高了風流的有效利用率，降低了污風串聯率。采用漏風系數低的軟質風筒，有效提高了局部通風機運行效率;保證了井下作業人員的人身健康，有效預防和減少職業病及CO中毒事故的發生。

2）-1 140 m中段F3斷裂以南熱水區局部降溫效果。采取制冷措施前，局扇進風側溫度為28 ℃，濕度95 %，風筒出風溫度40.3 ℃，濕度98 %，作業面溫度48.4 ℃;制冷機組投入后運行2臺空冷器，冷凍水可降至5.6 ℃，風筒出風口溫度14.2 ℃左右，北巷熱水區工作面溫度由47 ℃降至27.8 ℃。

3 高地應力條件下巖爆危害與治理

3.1 千米深中段開拓面臨的地壓問題

硐室附近地層內地壓大，圍巖移動量大，移動速度快。巷道圍巖移近量、巷道頂底板移近率隨采深增大而增大[9-11]。沖擊地壓發生頻率高，沖擊能量大，特別是在大型硐室開拓中尤其嚴重。失修和嚴重失修巷道比例增加，井深1 000 m時巷道失修率約是同條件下埋深500～600 m巷道失修率的3～15倍，部分礦井巷道失修率和嚴重失修率為20 %以上。深井巷道維護問題已成為整個礦井生產系統中最薄弱的環節。

-1 140 m中段水泵房寬6.1 m，高8.3 m。在水泵房的掘進中，巖爆問題顯現，在頂板及兩幫出現了巖爆現象，以層狀、片狀整體脫落。個別巖幫出現“叭叭”的響聲，有小石塊拋出1 m，或以片狀大面積脫落。

3.2 巷道硐室圍巖控制

為有效控制巖爆類巖體失穩問題，整個水泵房采用了二層聯合掘進施工方法、整體與局部泄壓相結合和及時支護等措施。

1）二層聯合掘進施工方法。在垂高方向把整個硐室分為上、下2個部分施工;先施工底部，最后施工上部并支護。這樣既減少了底部和上部控頂過高冒頂危險，同時下部又在上部支護層的保護下進行擴刷，大大提高掘進的安全系數。

2）整體與局部泄壓相結合。施工鉆孔進行泄壓。在1420勘探線施工泄水鉆孔，對整個-780～-1 140 m未擾動區域實現整體泄壓;對于水泵房大硐室開鑿的巖爆問題，在頂板、兩幫每隔50 cm施工1個深4 m的泄壓孔，進行局部泄壓。

3）及時支護。遇到巖石穩固性稍差時，需要進行支護處理，水泵房硐室揭露泄壓后，頂板支護形式調整為先噴射50 mm混凝土， 確保作業人員安全的前提下，再進行掛錨網作業，鋼筋網規格2.0 m ×1.0 m，然后再進行噴射混凝土支護，支護厚度100 mm。 兩幫支護形式調整為錨桿+噴射混凝土支護，錨桿間距1.2 m×1.2 m，支護厚度100 mm，有效保證了施工過程中的圍巖穩定（見圖5）。

4 高滲透壓力條件下突水應對措施

4.1 深部突水危害治理

三山島金礦床屬水文地質條件復雜的裂隙充水礦床，在巷道距離-1 140 m中段北巷F3斷裂破裂區300 m布置3組檢波器并實時收集微震數據，借助數據處理軟件，實現了-1 140 m中段微震監測結果的可視化。分析監測結果可以發現，爆破生產擾動較小，斷裂帶的導水裂隙帶還未形成。結合以往治水經驗，在-1 140 m上部的開拓中段采取超前中深孔探水注漿，并實施淺孔探水、管棚式超前支護、U型鋼及混凝土聯合支護、注漿堵水等治理措施。順利通過F3斷裂后，巷道段進行鋼筋混凝土永久支護。對下部-1 140 m 開拓中段穿越F3斷裂之前采取疏放水措施，引導地下水進入排水系統，為上部中段的注漿創造良好條件[9-11]。

1） 下中段的微震預警、疏放水措施。針對3 MPa 高壓突水，并結合3組檢波器微震數據，對整個-780～ -1 140 m 1500勘探線南西未擾動區域的高壓裂隙水進行放水，通過1個月的放水，壓力減少為0.15 MPa，確保了水泵房工程順利實施。

2）上中段探水注漿與支護措施。上中段穿越F3斷裂時，在長探情況下，每60 m作為一次探水（注漿）輪回，設計探水孔不少于3個，每個孔深60 m，分別位于兩幫腰線位置和掌子面中間位置。2次探水間要預留6 m的止水巖帽，以確保探水安全。共設計15個注漿孔，其中頂板7個，底板及兩幫8個（見圖6）。另設計1～3個檢查補強孔。頂板各孔及頂角孔施工完畢后，埋入鋼管或粗鋼筋作管棚用。

3）通過上堵下疏方式，實現了上中段穿越F3斷裂突水基本疏干，保證了-915 m以上礦體附近地下水位有效地降低到開采標高以下，形成穩定的降落漏斗，確保采礦作業在無水頭的安全環境下進行，保持了地下水位的穩定，防止突水事故發生。

4.2 井下突水安全防范

1）在治理突水問題的同時，施工過程中還需采取足夠的措施防范突水。首先，增加排水設施，安裝1臺MD85-67（P）-9臥泵，2臺MD46-50-8臥泵，總排水量在120 m3/h以上，滿足排水要求。其次，工人實施正確的操作與防范措施，人員站在鉆機的一側進行操作，以防止鉆機被高壓突水（見圖7）壓出，機械傷人。

2） 放水前準備好孔口管、閘閥。根據排水能力，全力放水，降低水頭。在泄水井聯絡巷施工2個360 m、 460 m鉆孔進行放水。

5 結 論

1）為科學地加快三山島金礦盲豎井配套工程建設，建立了一種多點布置盲豎井鑿井設施的井筒期中段開拓的施工方法，充分利用已有的措施工程及已施工的永久工程，減少了工程掘進量，提高了施工安全性。

2）針對三山島金礦盲豎井配套工程建設面臨的高地溫環境，建設過程中合理布局了通風系統與設施，使開拓作業面新鮮風風量大大提高，風流循環速度加快，溫度、濕度降低，提高了作業人員的積極性，提高了盲豎井開拓作業工效。

3）配套工程硐室圍巖中地層壓力大、局部巖體穩定性差，施工過程中采用了二層聯合掘進施工方法、整體與局部泄壓相結合和及時支護等措施，對地層壓力進行了有效控制，保證了圍巖的穩定性。

4）為防范突水災害的發生，利用微震技術結合構造地質特征對富水地層進行了預警分析，制定了針對性強的上堵下疏治水措施，有效降低了水害的發生，保證了施工的順利進行。

5）在三山島金礦復雜條件下盲豎井配套工程建設實踐中，建立了臨時提升、災害、施工聯合治理技術，為千米深度范圍的金屬礦深部復雜條件下盲豎井配套工程建設積累了豐富的工程經驗。

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Practice of blind shaft supporting project construction

under complex conditions deep in Sanshandao Gold Mine

Li Wenguang1，Deng Yaozeng1，Li Yukai2，Wang Mingbin1，Zhao Hongkai1

（ 1.Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining （ Laizhou ） Co. ，Ltd.? ;

2.School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology ）

Abstract： In this paper，a comprehensive study is carried out in engineering practice to solve the problems of high temperature，rock burst and high pressure water bursting in the design and construction of the development project of blind shaft in Sanshandao Gold Mine at thousand meters deep.A shaft excavation and masonry construction method with multi-point layout of blind shaft sinking facilities is established，which makes the new project scientifically combined with the existing project and reduces the engineering quantity.The ventilation system and facilities are reasonably arranged，which accelerates the circulation speed of airflow，reduces the temperature and humidity in the chamber，and improves the working efficiency.The rock burst and surrounding rock instability were effectively controlled with the two-layer combined tunneling construction method，the overall and local pressure relief combination and measures ?such as timely support.Microseismic technology is used to predict the water-rich fracture zone，and targeted engineering and safety measures are adopted to stop the flow from the upstream and dredge the channel to the downstream，which effectively ?avoids the water bursting disaster.The supporting projects have achieved good outcome，which ensures the construction safety，accumulates experience for the construction of blind shafts under complex conditions in the deep part，and is worth promoting.

Keywords： deep mining;blind shaft;high temperature;rock burst;water bursting;supporting project