四川某矿山坍塌竖井修复工法的优化

摘 要：竖井修复加固的施工工法的研究在国内尚处于初步阶段，本文通过研究四川某垮塌竖井的修复加固工法的优化，介绍了一种超深坍塌竖井修复加固的新工法，为类似竖井工程提供参考依据和实践经验。

关键词：竖井；坍塌 ；修复；

1 引言

目前，国内大部分矿山常采用竖井+平硐的矿山运输方法，在竖井勘探、设计过程中，往往慎之又慎，一般选择较好的地层。在大口径竖井使用中，产生坍塌阻塞，数量更是罕见。但随着国家经济的发展，在目前各项技术日益发达的情况下，建设单位为了降低项目投资，以及后期运营成本，还是会在一些地质条件相对较差的位置选址、建井，加上后期的不合理使用等各种负面因素，这些都为竖井坍塌破损提供了条件。因此，进行大口径竖井修复加固的施工工法研究更显重要。目前，该项技术在国内仅处于初步阶段，有些建设单位在矿井坍塌以后，不得已痛定思痛，重新选址建井，矿井设备搬迁或更新，造成很大的经济损失。

本论文以四川某矿山竖井修复加固工程为例，进行坍塌超深大直径竖井人工掘进施工技术研究，为类似竖井工程提供参考依据，为今后断层、溶洞、垮塌松散层的岩土工程治理提供实践经验。

2 工程背景

四川某矿山竖井穿越角砾状灰岩、断层破碎带及泥岩、泥质粉砂岩、煤线层互层，该竖井直径3200mm，井深224m，施工时实测井深75m，-28m以下井壁因为原混凝土衬砌磨损，导致泥质砂岩、泥岩层岩土流失继而发生较大规模的垮塌和破坏，最大垮塌直径达到了30m，致使竖井堵塞。由于该竖井垮塌阻塞，充填块石、裂隙土、松散矿料，并夹杂直径2米以上巨石，且穿越断层破碎带及软岩地层，所以修复治理难度极大。

2.1竖井结构原状

1、地层结构围岩状况：井深224m，0～3m块状灰岩（Ⅱ类围岩）；3～47m破碎灰岩；47～92m角砾灰岩；92m为断层；92～115m泥质粉砂岩、泥岩互层；115～126m泥岩夹煤线、煤层；126～148m泥质粉砂岩、泥岩互层；148～155m泥岩夹煤线；155～177m泥质粉砂岩、泥岩互层；3～177m为Ⅳ类围岩；177～228m泥质粉砂岩（Ⅲ类围岩）。

2、RC内衬：200～300mm厚，C20砼；Ф16@200×200单层钢筋网；

3、挂网锚杆：1Ф22，间距1m×1m.

2.2竖井结构破坏现况

1、RC内衬垮塌钢筋网片脱落，有钢筋向心翘起；

2、锚杆松动掉落；

3、井帮（-126m～-28m）危岩崩塌，严重井段-95～-82m处空成15米平洞；

4、井中矿料堵塞，不敢贸然疏通，被迫停止输料。

3修复方案

3.1原设计方案

原设计方案为：缩挖（冲抓）RC衬砌+Mn钢护筒方案。本方案采用抓斗取渣、冲水、结合冲击的方法目的是填充平硐及断层下覆煤层破碎带，尽可能的改善人工作业难度，使挖孔护壁周边地层相对稳定。

3.2原方案施工步骤：

1、0～-82m钢护管安放及固定：

a）孔口安装钢结构压顶梁板（或砼板）

b）M15水泥砂浆在目前矿粉及塌陷物堆积-82m标高处封底1m厚；

c）从竖井口安放φ3000厚15mm高锰钢管至-81m标高处，对中后孔口固定钢管，钢管预留锚杆孔眼（改用3mm厚薄铁板临时封堵）；

d）封底M15水泥砂浆1m厚隔渗；

e）在钢管与竖井间对称安放4根φ25注浆PVC软管至-80m处，灌浆M15，并在其间投放粒径5-16mm瓜米石后至孔口，并随着投放的5-16mm瓜米石和灌浆面不断提升注浆PVC软管；f）在原预留薄铁板开孔，按环距（纵向间距）3m，横向间距2.4m梅花形布置φ=22，L=5m，∠15°锚杆并注浆M25以固定钢管。

2、0～-82m围岩注浆加固：在1d）步骤后立即在竖井上口地表设置4个以竖井中心半径3.5m按360°平均分配的φ150-300mm注浆钻孔K1，自上而下每20m分段循环注浆M15，注浆孔需钻探至-85m（钻穿直至揭露2-3m垮塌体）可终止钻探。

3、-82m～-125m段清空及回填砼C15：a）人工凿除-80～-82m水泥砂浆封底

b）用抓斗机冲抓清除竖井中现有矿粉及塌陷物，局部用高压水枪冲洗，或使用注浆钻孔K1注水冲洗，使竖井从底至-82m处至-96m严重跨塌处所有松散物尽可能全部清净分三种情况：一种可能仅便于清除至-96m左右，另一种可清除至-126m，这是两种较为理想的状况；第三种是无法清除至-96m左右，这时就得采用大口径冲击钻机进行冲孔，并结合抓斗取渣进尺至-126m，若严重垮塌可先完成c步骤及5步骤后重新进行清空工作；c）用坍落度220mm混凝土 C15填充至-82m标高深度处，-82至-96m处回填C20砼。

4、-82m～-126m围岩注浆加固：

a）同步在竖井上口地表设置7个以竖井中心半径5.0m按360°平均分配的φ150-300mm注浆钻孔K2，自上而下每20m分段循环注浆M15，注浆孔钻探至-130m可终止钻探；

b）利用注浆钻孔K1，自-80而下每20m分段循环注浆M15，注浆孔钻探至-140m可终止钻探；c）K1、K2安放钢轨100*74mm，注浆固定。

4.方案优化

4.1施工中存在的问题

在内缩冲挖RC衬砌+自钻式锚杆工法实施的过程中，由于井内坍塌的物料较为密实，且软硬不一，里面既夹杂300mm以上直径块石，又有破碎的矿料，导致抓斗贯入度仅20cm，收效甚微。将单索双瓣抓斗改用单索多瓣抓斗后，效果也较差。实际操作中，其滑轮组钢丝绳的旋转，抑制了抓斗起抓时的闭合，贯入度也仅20cm，取料收效甚微，自2008年6月1日至6月29日按本方案实施，实际施工进尺4.0m。

4.2方案优化

针对竖井施工实际情况，方案变更为人工掘进（井径4500mm）+钢模板+钢筋砼衬砌+锚杆+Mn钢护筒方案，本次方案优化考虑了多种地基处理方法，包括：1、基础固结灌浆；2、钢模板支护（不拆除）；3、喷锚注浆。设计构造图见下图：

4.3施工步骤

⑴人工掘进1.0～1.4m为一模；

⑵每一模安装钢模板，上口3900mm，下口4100mm，壁厚3mm，模板之间用螺栓拼接，浇注混凝土前其角钢部分单面满焊，钢模板外侧设置挂筋，钢模板制作图如下：

⑶在下一模开挖尺寸满足要求后，并于护壁砼浇注前，在上一模每块钢模板侧壁内侧焊接2根φ25钢筋，共24根，其长度L=1150～1500mm，另一端伸入钢模板外侧拟浇注砼护壁处，并浇注砼护壁C30。

⑷上下钢模接缝处（h≤400mm）采用M10浆砌砖做模，内充填C30细石砼。钢模板作为支撑的一部分，不拆除。

⑸接着在上模底端施工均布12根自钻式锚杆L=5000mm，进行压力注浆。

⑹视孔内安全情况如此循环施工10次或更深，即可进行钢护筒安装作业。

⑺分片焊接安装Mn钢护筒；

⑻安装Mn钢护筒后，及时进行对中作业，误差40mm；

⑼浇灌C10砼封底300cm厚，24小时后方可进行压灌混凝土施工；

⑽钢护筒内侧泵送压灌混凝土C30；

⑾照此循环施工至-126m标高深。

5效果验证

1.垮塌最严重的部位-91m―-126m采用：“三维一体”的新工法，竖井顺利的疏通，并提前竣工投产。

2.该工法获得了国家实用新型专利，专利号为CN101307909。

6.小结

该工法将内模法、护筒跟进法与土钉封堵法三种工法结合使用能够极大的提高安全系数、缩短施工工期，降低施工成本，现场实践证明在人工掘进竖井施工中采取“三维一体”修复法有如下优点：（一）施工工艺简单；（二）施工安全、高效；（三）施工周期短。

大型超深竖井的修复及加固在目前并不是一个完全成熟的施工技术，通过四川某矿山竖井的修复及加固，形成自己完善的施工技术和相关的管理与安全技术，实现安全高效快捷的目的，特别是竖井内坍塌物料人工掘进三位一体修复法，已形成一套行之有效的施工方法，为以后类似工程做到安全、高效、快捷、经济提供了很好的实践经验。由于竖井深度太大，坍塌情况复杂，尚有许多并不完善的施工技术措施，有待继续研究探讨。

参考文献：

[1]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001），中华人民共和国建设部

[2] 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），中华人民共和国建设部