孙 扬

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

南非深竖井施工关键技术研究

孙 扬

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

随着井筒深度的增加，深竖井施工遇到了诸多困难和问题，以提升吊挂技术制约井筒向纵深延伸最为显著。基于研究中国传统竖井施工工艺和配套技术，分析制约国内深竖井施工工艺中悬吊设备设施、安全保障、水害防治等关键技术难点，对标研究南非解决深竖井施工技术难点的关键技术。本文研究内容可为升级国内深竖井施工工艺及配套技术提供重要依据，对储备2 000m以浅深竖井施工关键技术具有重要借鉴意义。

深竖井施工； 工艺特征； 凿井关键技术

1 前言

“十三五”开局之年，国家启动《“十三五”国家科技创新规划》面向2030年“深度”布局，提出了“深空、深海、深地、深蓝”一系列重大项目与国家科技重大专项[1]。在“深地”重大系列专项研究中，提出争取到2020年，全国形成至2 000m矿产资源开采、3 000m矿产资源勘探成套技术能力，储备一批5 000m以深资源勘查前沿技术，显著提升6 500m至10 000m油气勘查技术能力的目标要求。

长期以来我国矿产资源开采的深度多数处于1 000m左右的开采范围，进而形成了成熟的第四系浅部地层成套技术，对于超过1 500m深度开采技术研究较少，缺乏开采深地资源的技术储备。近年来，随着浅部资源的不断减少，矿山正在逐渐向1 000m至1 200m的开采深度迈进，少数的金属矿井正在建设超过1 400m的深井开拓系统。然而，不完全统计国外非煤矿山，其开采深度1 000～2 000m 的有60多座，2 000～3 000m的有十几座，3 000m以上的有10座[2～3]；其中最深的是南非卡里顿维尔金矿，竖井埋深4 176m，开采深度已达3 800m。

当前国内的竖井施工技术能够满足1 500m左右的深竖井施工，已成功在思山岭铁矿副井(1 503m)和会泽铅锌矿3#竖井(1 526m)应用[4]。但随着深度继续增加，钢丝绳自重的不断增加导致提升效率下降、提升机载重增大、提升稳车能力增加；同时，导致通风降温困难，排水扬程增大，凿井、安装精度保证困难，以及安全风险增加等诸多问题。同时，受深部地层“高应力、高水压、高温”带来的不利影响加剧，迫切需研究2 000m以浅的深竖井施工关键技术。在超深竖井建设方面，南非具有建设时间最早、建设深度最深，拥有超深竖井最多等诸多特征，开展南非超深竖井的关键技术研究对于储备国内2 000m以浅深竖井施工成套工艺及关键技术具有重要而深远的意义，对于十三五“深地”研究专项推进具有启引作用。

2 深竖井施工工艺特征及难点

2.1 中国与南非竖井施工工艺特征

竖井施工具有工序繁杂、工作面狭小、作业环境恶劣、施工周期长、不可预见因素多、安全风险大等诸多特点，也是矿山建设过程中危险性最高的关键工程。随深度增加钢丝绳自重增加，导致提升设备功率增加、能效下降，相应的成本上升、保证施工精度的技术难度上升；同时，提升设备上下运行摆动增加，传统提升吊挂设备设施的运行安全风险加大。开展国内外深井施工工艺及特征研究，对于研究解决国内深井施工难点问题具有重大意义。

2.1.1 中国竖井施工工艺特征

中国竖井施工通常采用先掘砌施工到底，再一次安装的施工方案；掘砌采用短掘短砌的作用方式，井筒装备安装采用锚杆后固定安装的方式。凿井设备设施以凿井井架作为吊挂结构，应用专门凿井绞车提升，工作面设备、设施、管线采用地表凿井稳车悬吊。

中国竖井施工工艺方案具有施工管理简单，工序之间相互影响小，各工种作业效率高，作业安全易于保证等众多优点。采用专门凿井设备设施具有施工准备期短、前期投资少的优势。同时，带来了地表设备布置复杂，见图1；施工精度不易保证，随井筒深度增加施工效率下降、凿井设备设施规格增大、施工精度低、施工成本上升显著等诸多缺点。

图1 凿井稳车群布置示意图

2.1.2 南非竖井施工工艺特征

南非竖井施工工艺与中国施工最大的区别是井架(或井塔)与井筒锁口段一起优先施工，完成上部结构施工后，再施工井筒；井筒边掘砌边安装，凿井期间可利用井筒永久结构悬挂、导向、固定施工设备设施。凿井利用永久提升机及井架(或井塔)，作为提升设备和凿井设施悬吊结构，凿井期间的管路线缆采用井壁直接固定。竖井施工通常采用掘砌安顺序一次成井施工方案，掘砌几个循环后，大段高进行安装。在井筒掘砌期间埋入预埋件，安装时直接用其固定井筒钢结构。

南非竖井施工工艺以利用永久设备设施为基础凿井，具有措施费用低、施工设备设施可靠度高、施工安装精度高、井筒装备可为施工提供便利条件、地表布置简单等优势；由于其采用永久设备设施，对于深井施工其安全保障可靠性高，具有明显优势。南非施工工艺采用预先埋设预埋件的方式，施工效率相对较低；凿井大量利用永久设备设施，使项目前期投资高、工期易受大型设备设施延误影响。另外，订货、采购、掘进、安装多个阶段工作同时展开，使得整个项目管理复杂。

2.2 中国深井施工工艺难点

2.2.1 凿井井架

传统竖井施工采用标准的凿井井架作为提升、吊挂、卸载的构筑物，现有的常规新Ⅳ型和Ⅴ型凿井井架只能适应于直径8m、深度1 000m、荷载小于360t的井筒施工。在思山岭铁矿副井施工中，由中国华冶研制了最新Ⅵ型凿井井架，其井架承载能力达到600t。Ⅵ型凿井井架可以满足1 500～1 800m、直径10m的竖井施工[5～6]。为适应2 000m或者更深的竖井，现有凿井井架不能适应超深井施工要求，需要研究新型的凿井井架。

2.2.2 提绞设备

对于2 000m井筒，至少需要选用φ5.0m的大直径提升机，配用进口钢丝绳和小吊桶；对于大直径的井筒，为了提高提升效率，甚至需要选用φ5.5m和φ7.0m的提升机。钢丝绳自重的加大，凿井须选用相应的大载重稳车，目前国内的凿井稳车最大载重40t，当深度达2 000m时需要研究50t大型稳车。

2.2.3 提升和悬吊安全保障

与千米深竖井凿岩提升相比，提升、悬吊安全风险大大加大。以选用德国的DIEPAD 1315 CZ- Φ42- 2160钢丝绳为例计算，每米重量8.56kg；当钢丝绳悬吊高度2 000m时，总重量达到17.12t。钢丝绳自重及井筒大型化设备使得提升重量增加，导致井架天伦平台和钢丝绳更容易产生疲劳破坏。另外，井筒深度加大后，传统钢丝绳导向水平限制减弱，吊桶摆动幅度加剧；这使得吊桶碰撞吊盘、井壁的概率大大增加，提升风险增大。

随着井筒深度、凿井装备的大型化、钢丝绳自重的增加，需要多台稳车提升吊盘及频繁移动吊盘。由于各台稳车机械、电气性能、人为操作等存在一定程度的差别，稳车启动升降吊盘过程中易造成钢丝绳受力不均，引起个别提升钢丝绳受力过渡集中而导致过载安全隐患；稳车数量越多、井筒深度越大，悬吊钢丝绳受力不均的概率越高，提升安全风险越大。

2.2.4 地压灾害风险加大

随着深度的增加，原岩应力及其构造应力明显增加，地压显现更为明显，围岩岩爆倾向性增大。已有深井矿山开采表明：在进入1 000～1 200m深度后，岩爆倾向性明显增加，已发生了多起岩爆事故。会泽3#竖井在施工过程中，发生了多次岩爆；最严重的一次发生在据井口埋深1 445m位置。竖井工作面狭小，且无逃生避险区域，一旦发生岩爆将对人员伤害严重，使得高应力控制成为凿井过程中灾害防控和保证井壁长期稳定的技术难题。

3 凿井提升系统及安全系数

3.1 提升悬吊系统

南非矿山基建从计划建设安排上与国内存在巨大差异，首先安排建设竖井井塔或井架，然后安排竖井凿井施工。这一安排的目的是凿井施工需要利用永久井架(或井塔)来施工竖井，同时凿井期间利用永久提升机作为提升设施，解决了国内竖井凿井井架承载力不足、提升机规格受限等技术难点，见图2。

图2 南非典型竖井施工现场

目前，世界最深的单段竖井为南非SOUTH DEEP矿主井[7]，其井筒深度为2 990.5m，其凿井工艺采用从地表一次性成井。为解决3 000m超深竖井施工稳车容绳量、承载力不足等技术难题，南非凿井稳车单独设置容绳卷筒和吊盘上安装动滑轮组，见图3。容绳卷筒和动滑轮技术有效解决了超深竖井施工稳车承载力低、容绳量不足的技术难题。

图3 超深竖井施工动滑轮组和容绳卷筒设置示意图

3.2 钢丝绳安全系数

在保证规程安全系数要求的前提下，随着井筒深度的增加，对钢丝绳选型的直径将越来越大，同时卷筒直径相应增大。这使得提升机设备更加大型化，而相应的提升机系统的有效承载力反而降低；基建及开采成本急剧增加，直接影响凿井施工进度及提升能效。偏高的安全系数规定一定程度上限制了提升系统向更深更大载重方向发展，表1是南非和中国单绳提升安全系数规程要求[8～9]。

中国钢丝绳安全系数(S)的定义是钢丝绳全部钢丝破断拉力总和与其所承受的荷载之比；南非安全系数(SF)的定义是钢丝绳最小破断拉力与其所承受的荷载之比。钢丝绳破断拉力总和与钢丝绳最小破断拉力之比通常为1.1～1.3，三角股钢丝绳之比为1.177,圆股钢丝绳之比为1.3[10]。据此，将1 500～2 000m深度范围内安全系数进行换算对比分析，南非安全系数随深度增加而相应降低，如表2所示。

表1 单绳缠绕提升安全系数

选用钢丝绳最小破断拉力来定义钢丝绳安全系数能够一定程度规避制造误差、断丝、锈蚀等因素引起的测试误差，也能更便于使用中钢丝绳的检测。南非对于钢丝绳检测，不仅进行周期检测，同时要求设置绳载实时检测装置，以提供安全保障。

4 南非凿井施工配套技术

通过采用相关配套技术，南非超深竖井施工并无国内庞大的稳车群，除吊盘必须通过稳车悬吊外，其余设施采用配套工艺来减少稳车使用。通过采用管线沿井壁固定、模板自悬吊移动技术、掘砌安一体施工工艺、充分利用永久装备及设施等配套技术，简化提升吊挂设施。

表2 南非与中国缠绕钢丝绳安全系数对比计算

4.1 模板自悬吊移动

南非采用模板自悬吊移动技术简化了地表稳车悬吊，该技术是通过模板类型划分、吊盘配套液压缸体、分次浇筑、预埋件固定等一系列联合技术实现的。井壁衬砌模板由上部环、标准环、关键环和底环组成，其中底环和关键环是固定预埋件和吊挂固定的关键所在。分次浇筑主要是指每一个段高井壁分多次浇筑，按照底部、中间、顶部的顺序浇筑井壁的混凝土衬砌。通过吊盘上设置小型提升设施实现衬砌模板移动，移动后吊挂于上一段高的预埋件上。在浇筑底部井壁衬砌环之前，通过吊盘底部设置的折页及伸缩支撑缸体形成承托体，同时将相关预埋件设置在该衬砌环中。

4.2 井筒超前探水注浆工艺

地层含水是不可避免的实际情况，如何合理、经济、安全地防治水是竖井施工的永恒课题。凿井期间面临着井壁渗水、工作面涌水、突水等一系列的水害问题，且随着井筒深度的增加风险加大；同时，随着水压的升高，防治水的难度越来越大。《有色金属矿山井巷工程施工规范》中规定井筒通过单层涌水量大于10m3/h的含水层，或有0.5m3/h以上集中出水点，竖井井筒应进行注浆堵水[11]；同时《有色金属矿山井巷工程质量验收规范》中规定井筒深度超过600m时，其建成后的总漏水量不大于10m3/h，无单点超过0.5m3/h的出水点[12]。按照规范规定中国竖井施工按照有水治水的原则施工，而南非规程则要求竖井凿井期间主动探水堵水。

南非规程要求竖井施工期间，必须实施工作面同步连续超前探水注浆施工。通常的做法是采用超前若干个循环进尺，绕井筒一周施工若干个探水注浆孔，见图4，且这些孔均进行注浆封堵。这种主动超前探水注浆工艺具有明显优势：能够有效实现井筒纵深连续裂隙封堵，有效防止突涌水灾害发生，有效加固井筒四周围岩，一定程度上缓解了井筒高应力集中。

图4 超前探水注浆孔布置示意图

4.3 动滑轮吊盘

根据掘砌安一次成井工艺要求，通常情况下南非施工井筒中设置一个多层吊盘或者设置两个吊盘，用于掘进及安装使用。为符合动滑轮悬吊要求，吊盘顶部设置了滑轮以及其它配套工艺需要的结构，以满足其深井施工工艺要求。通过动滑轮装置来减小对单根钢丝绳的承载力要求，以满足深井施工要求。

5 结论

解决深竖井施工的关键是解决深井提升设备和设施悬吊及精度保证，本文深入对标研究南非深竖井施工工艺及关键技术，结论表明如下。

(1)南非深竖井施工采用的提升吊挂系统、模板自悬吊移动技术、管线固定工艺等关键技术充分利用了永久设备、结构和设施，有效解决了国内凿井井架承载力不足、稳车承载力不足、凿井提升机直径受限、深井能效低、深井安全保障困难等技术难题，也避免了复杂庞大的稳车群布置问题。在深井高应力动压控制及水害防治方面，超前探水注浆工艺有效降低了突涌水灾害发生概率，实现了井筒纵深连续裂隙封堵；同时，有效加固井筒四周围岩，一定程度上缓解了井筒高应力集中。

(2)南非的安全系数规定为深井施工提升创造了有利条件；同时，其规程规定了严格的钢丝绳检测要求，为降低的安全系数提供了保障。国内应加强研究论证，为修订相关规程标准提供依据，为深井施工创造有利条件。

竖井施工中受恶劣环境、地球引力及自转、测量误差累积等因素影响，如何保证施工精度的问题也是深井施工中重要的关键技术，应深入研究南非深井(如SOUTH DEEP矿近3 000m单段井筒)施工中的精度控制技术。另外，如何解决深井“三高一扰动”所带来的困难(如岩爆灾害)，须深入研究南非、加拿大等深井较多国家的成熟技术措施，为储备“十三五”重大研究专项中2 000m以浅深竖井施工成套工艺及关键技术提供重要技术保障。

[1] 新华网.深空·深海·深地·深蓝——“十三五”科技创新“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.现代金属矿业的发展主题[J].金属矿山，2012,(7):1-8.

[3] 古德生.金属矿床深部开采中的科学问题[A].科学前沿与未来(第六集)[C].北京:中国环境科学出版社,2002.192-201.

[4] 孔繁军.大直径1 500m深竖井施工技术难点与对策分析[J].中国矿山工程,2015,44(1):35-37.

[5] 赵兴东,刘岩岩,等.深竖井开凿提升悬吊系统设计与工程应用[J].采矿技术,2015,(6):84-86.

[6] 曾宪涛,杨永军,等.会泽3#竖井岩爆危险性评价及控制研究[J].中国矿山工程,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,金属非金属矿山安全规程[S].

[10] GB8198-2006,重要用途钢丝绳[S].

[11] GB 50653-2011,有色金属矿山井巷工程施工规范[S].

[12] GB 51036-2014,有色金属矿山井巷工程质量验收规范[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

孙 扬(1985-)，男，陕西榆林人，硕士，工程师，主要从事金属矿山井巷工程及岩土工程的相关咨询设计、科研工作。

国家“十三五”重点研发计划项目(2016YFC0600803)