三道庄矿破碎站溜矿井垮塌机理与工程治理研究

张 超，彭府华

（1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南 洛阳 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012）

三道庄矿为国内一大型露天钼矿，设计生产能力30 000 t／d，目前运行的4＃破碎站溜矿井为矿山主要供矿点，承担着部分选矿公司的供矿任务，日破碎输送矿石量约1.6万t。4＃破碎站地面标高为1 378 m，其溜矿井井筒净直径3.0 m，设计标高为1 369.65～1 315.5 m，高度54.15 m，溜矿井下部设计装矿硐室，高13.5 m，溜矿井在井口以下有3 m高度的钢筋混凝土衬砌，其余均为裸露的岩壁［1，2］。

1 工程背景

2016年3月，出矿过程开始出现大块岩石，通过三维激光扫描仪器对该溜矿井实际形态进行扫描分析，发现溜矿井东北部井壁出现局部垮塌，垮塌区域的最大直径已接近13.0 m，部分破碎站基础处于垮塌区上方。溜矿井结构及垮塌形态示意如图1所示。

2 破碎站岩体工程地质特征

4＃破碎站地区主要地层为三川组地层（zjs1），分上下两个岩性段，下段（zjs1）为黑云母长英角岩，上段主要为含石榴子石硅灰石大理岩（zjs2-2（G＋D））。溜矿井坍塌位置岩性为含石榴子石硅灰石大理岩，受断层影响，裂隙、层理十分发育，岩层倾向北东，倾角10°～15°左右。3＃、4＃号断层破碎带距离4＃破碎站较近，破碎带充填物为土状物质。4＃破碎站东侧存在一露天边坡，受断层影响，整个边坡风化强烈、十分破碎，边坡节理裂隙发育，裂隙宽度一般在100～300 mm，边坡节理发育情况也表明溜矿井井壁岩体节理发育、裂隙宽度较大。

3 溜矿井坍塌机理分析

3.1 工程地质条件影响

溜矿井垮塌破坏主要由于该区域岩体节理裂隙发育，存在两条较大断层破碎带，加之放矿过程中破碎矿石不断冲击溜矿井井壁，使井壁不断磨损，造成溜矿井的断面尺寸逐渐扩大，当溜矿井断面扩大到一定程度时，溜矿井井壁丧失了稳定性，则出现片帮和塌方现象。

3.2 放矿对井壁的摩擦作用

按放矿理论，放出体为椭球体。对于长溜矿井，放矿过程中，放出体下部存在降落漏斗，上部基本可均匀下降。但由于摩擦的影响，溜矿井中心的矿石一般比边部的矿石流动速度大。

溜矿井底部压力的计算常用下式计算［3］：

式中：σh为溜矿井中单位面积上的垂直压力／kN·m-2；γ为溜矿井中矿石的容重／kN·m3；R为溜矿井筒的水力半径／m；μ为矿石与仓壁之间的摩擦系数；kc为松散矿石的侧压力系数。

3.3 矿石倒入溜矿井对井壁的冲击作用

矿石倒入溜矿井经过自由落体运行撞击矿石堆，经反弹后会撞击井筒壁，对井筒壁的冲击力是造成井壁破坏的重要原因之一。反弹的矿石撞击井壁，对井壁的冲击力可按公式（3）进行估算：

式中：m为反弹矿石的质量／kg；v为矿石反弹后对井壁的冲击速度／m·s-1；t为接触时间／s。

从式（3）中可见，反弹矿石对井壁的冲击力跟弹射速度成正比关系，即放矿高度越高，矿石弹射速度也越大，造成的冲击力越大。因此，可以通过控制放矿高度来调节矿石对井壁产生的冲击作用。

4 溜矿井垮塌处理方案设计

对溜矿井破坏的现状与原因进行初步分析，溜矿井垮塌主要是由于工程地质条件、矿石放矿过程中的磨损及冲击造成。目前部分垮落区域已延伸至破碎站基础柱体下部，如果下一步溜矿井井壁继续垮落，井壁垮落范围越来越大，可能会影响破碎站整体稳定性［4］。因此，治理方案应综合考虑提高上部基础整体稳定性及避免垮塌区域进一步垮塌破坏。

治理方案考虑以地表双控张拉锚索束＋微型桩＋井壁锚喷联合支护技术相结合的方式对该溜矿井进行综合治理。通过在地表双控张拉锚索束＋微型桩可对地表构筑物基体进行有效加固，不仅不占用溜矿井停产工期，而且可有效防止上部井壁进一步大范围垮冒；另一方面，还可有效降低锚杆支护密度，加快井筒内施工进度，减少对生产的影响［5～9］。

4.1 地表双控张拉锚索束

在地表沿溜矿井外围向井筒内壁方向施工双控张拉锚索钻孔，每孔安装6束15.24 mm钢绞线，锚索按设计要求施加预紧力，孔内全长砂浆锚固。共布置锚索束5排25个钻孔，排间距2.5 m，相邻排的钻孔呈梅花形交错布置，如图2、图3所示。

图2 地表双控张拉锚索束复合纵剖面图

图3 地表双控张拉锚索束地表布置平面图

4.2 微型桩

以地表基础周边施工8个微型钢管桩加注浆，使得基础破碎站基础周围岩体整体强度得到改性提高，如图4所示。

图4 微型桩结构设计图

4.3 井壁锚喷联合支护

在溜矿井内部下喇叭口处出现的垮落空区及破碎岩体在每排锚索束中间位置各布置一排Φ22 mm×1 800 mm砂浆锚杆，在放矿高程上部区域共布置3排锚杆，同排内各锚杆间距1.5 m。井壁表面喷厚度100 mm的钢纤维混凝土。

对于放矿高程范围等冲击磨损影响大的区域（-25～-34 m范围），采用Φ22 mm×1 800 mm砂浆锚杆初步支护，锚杆排距1.5 m，含9 m放矿范围及邻近3 m区域共布置8排锚杆。锚杆施工完毕后在该区域表面直接喷射一层100 mm厚的钢纤维混凝土。

自2016年10月方案实施后至今，溜矿井累计放矿量860余万t，未出现井壁围岩渐进性松弛、裂隙、片帮等垮塌区域进一步发展的现象；破碎站基础未出现不均匀沉降或局部破坏。溜矿井运行正常。

5 结 论

1.三道庄矿4＃溜矿井垮塌破坏主要是由于该区域岩体节理裂隙发育，存在两条较大断层破碎带，加之放矿过程中破碎矿石不断冲击溜矿井井壁，使井壁不断磨损，造成溜矿井的断面尺寸逐渐扩大，井壁出现片帮和塌方。

2.地表双控张拉锚索束＋微型桩加固治理技术对于松散破碎、节理裂隙发育且有破碎带的岩层治理效果良好，能够有效提高围岩整体性，改善受力状态。锚索束钻孔全长砂浆锚固以及微型桩施工的浆液在松散和节理裂隙发育的岩体中有利于扩散、充填、胶结，从而提高溜矿井围岩的自承能力和上部基础结构的整体稳定性；同时由于注浆体在基础和溜矿井周围形成一道隔水帷幕，起到防水渗漏作用，并能提高围岩的有效应力。因地表施工快捷方便，将能够最大程度地减少溜矿井停止使用的时间。