采矿工程地下金属矿山主溜井变形破坏机理分析明世祥（北京科技大学）应力场影响，又受冲击载荷作用，受力状态复杂，稳定性较差，破坏率一直很高。结合国内几座大型地下金属矿山主溜井变形破坏情况，对其破坏机理进行了分析研宄。
主溜井是地下金属矿山最重要的采矿工程之一，井下开采的全部矿岩都由此集贮和转运，它的稳定畅通与否对矿山生产影响极大，一旦破坏不但影响生产，而且威胁整个溜破系统和主井的安全。因此，矿山对主溜井的选位与维护都十分重视。由于溜井工程环境复杂，又长期受冲击载荷作用，稳定条件恶劣，一些生产能力大且矿岩软破的矿山都存在主溜井严重变形破坏问题，如程潮铁矿、小官庄铁矿、张家洼铁矿、新城金矿等。破坏轻者需停产长时间进行返修，严重者井筒报废，给矿山造成了巨大的经济损失。深入探讨主溜井的破坏机理，寻求合理有效的维护方法，对保证矿山安全正常生产具有极其重要的意义。
1主溜井破坏实例与特征主溜井是服务年限较长、运行环境恶劣的矿山工程，变形破坏现象普遍存在，但破坏程度却因岩性、原岩应力环境、卸矿方式、使用条件和维护方法的不同而有较大差异。下面介绍的是国内几个大型金属矿山主溜井破坏的典型实例。
1.1程潮铁矿该矿是1座年产200万t矿石的大型地下矿山，先后应用于生产的4条主溜井，其中3条发生过严重垮冒，多次停产返修，给矿山生产造成巨大影响。
东主溜井。主要负担-220m中段以上矿石贮运，设计直径<2.5m、高度135m，位于下盘破碎的花岗岩体中。F96主断层在-140~ -180m之间与井筒斜交，断层破碎带宽3~ 5m，岩体裂隙间都充填有亲水性强的物质，遇水易冒落。该溜井开挖过程中，遇到此断层就曾发生片垮，局部区段溜井直径己达9m左右，后井筒采用浇灌混凝土支护，支护厚度400mm.该溜井1969年11月投产，运行不久井壁就开始发生破坏，到1980年7月发展为大范围片垮，垮冒后的溜井直径达到16.4m，使-150m水平候罐硐室开裂悬空，片垮空间边缘距主井井壁仅剩4.5m，严重威胁到主井安全。后东主溜井被迫停产维修，维修时间达2年，消耗水泥2770多明世祥，北京科技大学土木与环境工程学院，教授，100083北京市海淀区学院路30号。
t，其它充填物料达12附近，是东主溜井的接续溜井，主要负担-220m~ -430m中段间矿石转运，溜井直径<3m，溜井高度160m，设计年最大通过能力为180万t，服务年限16a.溜井位于矿体下盘，主要经过岩种有花岗斑岩、压碎中粒花岗岩、闪长岩及闪长玢岩体。岩体间穿插有众多张、扭性破碎结构面和软弱层，宽度一般0.5~2.5m，软弱夹层多由绿泥石、高岭土等粘土矿物组成，遇水膨胀软化。溜井采用C30混凝土支护，局部为钢筋混凝土，支护厚度300~ 1主溜井于1990年投产，1993年2月井壁发生大面积片垮，通过矿岩量仅200万t，后经简易维修后，又出矿60万t，此时井筒片垮加剧，溜井直径平均己扩大到8~10m，垮冒高度90多m，-430m水平卸矿硐室也片垮掉一半，并严重影响到主破碎硐室的安全。该井于1993年11月开始停产加固，维修时间达1.5a.在1主溜井维修期间，2主溜井开始运行，但仅通过100多万t矿岩量，2主溜井又发生严重垮冒，垮冒高度达120m，平均冒落断面积为100m2，最大直径达18m，- 360m水平卸载硐室靠溜井一侧己全部垮掉。1和2主溜井之间岩柱原为24m，破坏后最窄处仅剩8m，2条主溜井几乎冒通，故2主溜井也停产返修，耗时达20个月。现2条主溜井虽经多次维修加固，其变形破坏仍未得到控制，维修间隔时间越来越短，对生产的影响也越来越大。
1.2新城金矿该矿是山东黄金集团公司的1座大型地下金矿，设有2条主溜井，1条为矿石溜井，净直径<3m，1条为岩石溜井，净直径<2m，2井相距16.7m，溜井高度100m.溜井位于英岩、花岗质碎裂岩和黑细花岗岩体中，溜井上部岩性坚硬较完整，中、下部岩体节理裂隙发育，并充填有绿泥石、高岭土一类软质矿物，稳定性差，其间还有1条较大的断层破碎带斜截2条主溜井。溜井采用300mm厚浇灌混凝土支护。矿石主溜井于1997年元月投产，运行不到1.5a，仅出矿43万t，就发生了大的垮冒，片垮高度70m，井筒直径从3m片垮为15m，最大直径达19m（-359m水平），平均冒落断面积为70m2，最大达220m2.2井间柱宽度由16. 7m减小到不足8 m，迫使溜井停止生产进行维修。
1.3小官庄铁矿小官庄铁矿是具有200万t生产能力的大型地下矿山，设有东、西2条主溜井，溜井净直径<4m，井深135m，2井中心距43. 5m，距主井31.井位于矿体下盘的闪长岩、蚀变闪长岩中，岩体破碎并充填有泥质物质，在整个溜井通过的岩层中有3条大的断层破碎带穿插。溜井采用钢筋混凝土支护，支护厚度540mm，局部采用钢轨加固。2条主溜井于1983年掘成，1985年9月正式投产使用，现东主溜井己通过矿岩量为1000万t，西主溜井通过矿岩量800万t.但2井自1983年以来变形破坏一直较为严重，先后停产维修过9次，其中大修3次。东主溜井破坏最为严重，- 300~350m之间片垮直径达25m，片垮高度90m.当-300m中段回米结束时，因溜井片垮规模大，垮冒废石无法出空，-350m中段截井十分困难，后采用插筋注浆法才将上部废石截住。
1.4张家洼铁矿该矿是与小官庄铁矿同一类型的矿山，设有1与2两条主溜井，溜井净直径<3m，高度150m.位于矿体下盘闪长岩和蚀变闪长岩体中，其中-200 ~-250m之间存有第三系砾岩层与闪长岩接触破碎带，岩体蚀变强烈并含有绿泥石、高岭土、蒙脱石类粘土矿物。溜井采用整浇混凝土支护，局部为钢筋混凝土，支护厚度400mm. 1主溜井于1989年投产，投产3年后溜井发生片垮，片垮直径平均为10m左右，最大直径达到18m.该溜井几乎年年维修，1997年后因破坏加重，维修量太大，矿山只好采用满井放矿的方式带病运行，严重影响了生产能力。
2主溜井因岩性较差，在开挖过程中就发生过严重垮冒，并与-250m水平中段运输巷垮通。后虽经浇灌混凝土支护，但一直未能控制住井筒变形，溜井也因此未能投产。2002年5月突然发生大的垮冒，井筒井壁全部脱落，溜井直径扩大到20多m，垮冒高度近50m.该井因垮冒严重，无法返修而报废，矿山被迫另掘3溜井。
1.5江西铜业集团公司武山铜矿该铜矿是一座中型地下矿山，设2条主溜井，净直径<3m，2井中心距20m，1主溜井高度为157m，服务4个中段。2主溜井高度117m，服务3个中段。2条主溜井均设分枝溜井系统。溜井位于志留系上统砂帽组下段，岩石以石英砂岩为主，岩性硬而脆，节理发育，裂隙中充填有矿化物质。其间有2条断层构造与主溜井斜交。溜井于1997年初投入使用，投产2年后，发现2条溜井从上到下均发生不同程度的垮塌，此时，2井共出矿103万t.其中1溜井片垮高度达150m，垮冒空间长轴为32m，短轴为20m，井筒最大片垮断面420m2，己与相距11m的回风天井冒通，该溜井垮冒总方量达15 2主溜井垮冒高度110m，垮冒空间长轴为17m，短轴为13m，最大断面积为130m2，总垮方量为4500m3，2条主溜井的严重垮冒给铜矿生产造成巨大损失。
6胡家峪铜矿该矿为山西中条山有色金属公司主力矿山之一，主矿体南河沟坑口分一、二、三期开采。在后两期开采过程中，主溜井都发生过严重的片垮破坏。
二期主溜井采用接力布置方式，从540m水平至610m水平，高度130m，中间设2个卸矿水平，溜井净直径<3m.溜井位于厚层大理岩中，中间夹有黑色片岩和钙质云母岩片岩，在561m至601m遇到黑色片岩破碎带，岩体稳定性差。溜井下部采用C15浇灌混凝土支护，厚度300mm，在混凝土内井壁上，每圈又用62根50kg/m的重轨进行加固，但其溜井上部未进行支护。溜井于1977年6月份投产，1981年溜井上部就发生了大范围冒落，形成高31m，宽13~ 15m，长20m的冒落空间，此段溜井因无法维修而报废。为保护主井和下部分溜井的使用，垮冒空间先用1 200m3混凝土浇灌，再用6500m3碎石充填。该溜井下部使用6年后也发生严重破坏，混凝土井壁及重轨衬砌己全部脱落，冒落体积多达1000m3，590m水平卸载硐室出现悬空破坏。
三期开采中，主溜井改为单段垂直布置方式，服务标高360~490m水平，高度130m，其间每隔50m设一中段卸矿硐室。溜井直径<2. 4m，该井于1988年投产，1991年未发生大范围破坏，垮冒高度40m，平均片垮断面90m2，最大直径达12m，垮冒空区与-440m卸矿硐室连通，与主井间距不足10 m.为此矿山被迫于1997年初停产数月进行返修。
1.7小结由以上6个矿山10余条溜井的破坏发展过程及片垮状态来看，井壁的变形垮冒是主溜井破坏的主要形式之一。而溜井的破坏都有一个逐步发展的过程，起初都是由一个或数个破坏突发点开始，逐渐由局部破损扩大为大范围片垮。只是这种渐进发展过程因溜井长期有矿岩充填，不易被人们发现，尤其是井壁初期的变形与破坏更不被人注意，当发现破坏时，溜井片垮己达到非常严重的阶段。许多主溜井破坏实例还表明，这些破坏突发点大都发生在卸矿冲击点和断层破碎带中，其片垮断面形状并不围绕原溜井中心线均匀向四周发展，而多是偏离溜井中心向一侧扩展，破坏平面一般都有长轴和短轴。
在立体空间上，破坏范围较大，沿溜井整个高度都有片垮，只是不同高度的片垮程度有所不同，一般在卸矿冲击点处破坏最为严重。
2溜井破坏机理分析主溜井是集多种不利影响因素为一体的矿山工程，其稳定条件不但受到工程环境的严重制约，而且长期受到许多动态及不确定因素的影响，其变形破坏机理比较复杂。但通过对上述多条主溜井破坏状态的综合分析与比较可知，各主溜井的变形破坏除有自身的特点外，也具有一定的共性特征。
工程地质条件。岩性条件是影响溜井稳定的最主要的因素之一，完整而强度高的围岩具有较高的抗拉、剪性能，当井筒开挖后，其卸荷松动范围小，井壁围岩承载能力高，抗冲击能力也较强。而软弱破碎的岩体不但卸载松动圈大，抗冲击破坏的能力更低，特别是井壁有断层破碎带的穿插时，对溜井的影响最大。上述介绍的6个矿山主溜井垮冒都与软弱破碎带有关，最典型的是张家洼2主溜井的破坏，该井-200~-250m水平之间有较宽的砾岩与闪长岩接触带，砾岩与蚀变闪长岩都具有较强的水理特性，遇水很快崩解软化，而在采用天井钻机掘进过程中，大量工程用水进入岩体中，从而引起这些岩体弱化碎胀，承载能力大幅度下降。后虽采用浇灌混凝土支护，但由于壁后大范围围岩的水理作用，所产生的碎胀和膨胀变形压力将井壁错切和挤压，井壁逐渐与围岩脱离，当受到下部扩井爆破震动冲击后，便诱发了该溜井大范围的垮冒。对这些严重影响溜井稳定的断层破碎带应尽量避开，但溜井的位置在很大程度上受主井位置的制约，主井位置一旦确定，溜井的平面位置就很难进行调整，因此，溜井选位应与主井统一考虑。
群井效应。主溜井一般都成对布置，并紧邻主井，相互间距离仅有20m左右，在此间柱中，同时还布置有分枝溜井、卸矿溜槽、卸矿硐室、观测天井等工程。井巷工程的密集布置，一方面造成水平应力在间柱内过度集中，另一方面由于围岩受到多次开挖扰动，松动碎胀范围扩大，相互影响强。一些处于较破岩体中的主溜井，围岩松动圈很容易相互交叉，当某一井筒发生破坏变形时，也必然影响到另一井筒的稳定。对于一些经常采用爆破法处理堵井的矿山，爆破产生的动应力会在相邻井壁产生反射拉应力和破坏震动，加速了邻近井筒破坏。这种群井连动破坏效应，在程潮铁矿、武山铜矿和胡家峪矿等矿山都有明显的反映。因此，在进行溜破系统工程布置时应充分考虑这种群井效应。
冲击载荷。冲击载荷是不言而喻的破坏因素，但这种破坏载荷冲击能量与卸矿方式、矿岩硬度、块度及溜井中矿岩存储高度等因素密切相关。
根据室内与现场的大量研究，矿石下落冲击能量与距离和速度成正比，卸矿速度快、块度大对井壁的破坏也大。大量测定结果表明，冲击载荷产生的破坏一般在卸矿点以下40m的范围内。为了减小卸矿冲击载荷对井壁破坏，一是大卸矿点处井筒直径并设缓冲硐室；二是采用满井放矿方式，满井放矿虽对生产能力影响较大，但可大大减缓溜井的破坏。张家洼铁矿1主溜井在井筒大范围垮冒后，采用满井放矿，虽然管理较难，但使用效果较好，近4年来溜井运行一直比较正常。此例说明，适当提高存矿高度可有效减轻矿石对溜井的冲击破坏。冲击载荷同时也与岩石硬度、块度有着明显的关系。金山店铁矿矿岩比较软，粉矿较多，同时采用TG4出矿，进入溜井的矿石块度较小，对溜井的破坏也较轻，故该矿采场溜井和主溜井都未发生过大的破坏。而采用铲运机出矿的矿山，如张家洼铁矿和程潮铁矿，采场溜井常常不加格栅，进入溜井的大块多，溜井破坏也相应严重。因此，减少大块和改变卸矿方式是减少冲击破坏的重要途径。
支护强度。井筒的破坏与不良的支护相关，不良支护主要表现为：1支护强度低。大多数矿山主溜井采用素浇灌混凝土支护，设计支护厚度一般300~ 500mm，却很少采用钢筋混凝土支护。根据溜井井壁的受力分析及多条溜井的破坏形态的分析结果表明，溜井的破坏多是剪切破坏。而素浇混凝土抗剪能力低，在围岩碎胀及膨胀压力的作用下，素浇井壁很容易发生剪切破坏。另由于溜井在掘进过程中，遇到断层破碎带，井壁片垮常引起井筒毛断面的扩大，但支护时为减少混凝土浇注量，井壁扩大部分往往采用不良碎石渣充填，壁后空隙较大，混凝土井壁与围岩体不能形成统一的承载体，承载能力变差。如井壁片垮不均匀，浇灌井壁四周软硬不一，当井壁受到不均衡地压时，更容易发生剪切破坏。④时冲击点处理不合理。虽然许多矿山都采用钢轨和锰钢板来加冲击点井壁强度，但这些钢轨和钢板的固定常采用点焊方式，其固定强度低，在受到强烈冲击和震动后，很容易开裂与脱落。因此，许多矿山用于冲击点加固的钢轨或钢板都过早脱落，未能发挥其加固效果，有的还产生副作用，加速了井筒的变形破坏。》当井壁出现破坏时，不能及时进行补强，而任其发展，最后导致大范围片垮这也是造成溜井垮冒的最直接的原因之一。如能较早发现并及时补强，主溜井的破坏是完全可以控制的。
3结论主溜井是地下矿山生产的咽喉工程，一旦破坏后患无穷，应重视主溜井稳定性研究，并从井位选择、结构布置、支护和维护等诸多方面对溜井变形破坏进行综合控制。
群井效应是明显的，矿岩破碎而构造应力大的矿山，主溜井筒维护应采用内加固与外支护联合维护形式，使井壁支护层与围岩形成共同承载体。
溜井矿岩储放高度对抑制井壁变形具有较大作用，在不影响生产能力的前提下，尽量采用满井放矿。
溜井破坏都是从点上开始逐渐发展形成的，及时进行补强可起到事半功倍的效果。在有条件的情况下，应经常对溜井井壁进行检查，如发现破坏点，及时进行维护。
主溜井破坏与分支溜井及卸矿方式有很大关系，矿石对井壁冲击，可采用阻尼放矿和缓冲卸矿的方法来降低。
(完)
