思山岭矿深竖井施工技术与井壁围岩稳定性研究

思山岭矿深竖井施工技术与井壁围岩稳定性研究一、引言1.1研究背景与意义随着全球经济的快速发展，钢铁作为重要的基础原材料，其需求量持续攀升。铁矿作为钢铁生产的关键原料来源，对其开采效率与安全性的要求也日益提高。思山岭矿作为国内大型铁矿，在我国铁矿资源开发领域占据着举足轻重的地位。其已探明铁矿石储量达24.84亿吨，平均品位31.19%，矿体集中、连续性好，适合大规模开采，是国内探明登记的最大单体铁矿，对保障我国钢铁产业的原料供应具有重要战略意义。在矿山开采过程中，竖井作为连接地表与地下矿体的关键通道，其施工技术的优劣直接影响着矿山的开采效率与成本。尤其是深竖井的施工，面临着诸多技术难题，如地应力增大、岩石破碎、涌水量增加等，这些问题给施工带来了极大的挑战。同时，井壁围岩的稳定性是保证竖井安全使用的关键因素，不稳定的井壁可能导致坍塌、涌水等事故，严重威胁着矿山的安全生产和人员生命安全。因此，深入研究思山岭矿深竖井施工方法及井壁围岩稳定性，具有重要的现实意义。一方面，通过优化施工方法，可以提高施工效率，缩短施工周期，降低施工成本，为矿山的快速建设和高效开采提供技术支持；另一方面，准确分析井壁围岩稳定性，能够为井壁支护设计提供科学依据，确保竖井在服役期间的安全稳定运行，减少安全事故的发生，保障矿山的可持续发展。此外，相关研究成果还可为其他类似矿山的深竖井施工和围岩稳定性分析提供借鉴和参考，推动整个矿山行业的技术进步。1.2国内外研究现状在深竖井施工方法方面，国内外学者和工程技术人员进行了大量的研究与实践。在传统施工方法中，普通法凿井的单行作业法因人工量大、交叉作业多、临时支护工作量大，导致施工速度缓慢且存在较大安全隐患，目前应用相对较少。平行作业法虽能在一定程度上加快施工进度，但设备布置复杂，安全性较差。而混合作业法凭借采用整体模板支护、液压伞钻打眼、抓岩机械出渣、吊桶提升矸石等工艺，具备建井速度快、工艺流畅、施工成本相对较低、管理方便、安全性好等特点，已成为竖井施工的主要方法，在国内外众多竖井施工项目中得到广泛应用。特殊法凿井针对特殊地质条件和施工环境，发挥着不可或缺的作用。冻结法通过冷冻井壁周围土体，使其强度提高，从而实现安全施工，常用于富水地层的竖井施工。钻井法利用大型钻井设备在地面进行井筒钻进，然后进行永久支护，适用于深厚表土层等复杂地质条件。注浆法通过向地层中注入浆液，封堵裂隙和孔隙，改善地层的物理力学性质，达到加固和堵水的目的。在实际工程中，根据不同的地质条件和施工要求，常将多种特殊法凿井方法结合使用，以确保施工的顺利进行。随着科学技术的不断进步，深竖井施工方法也在不断创新和发展。在机械化施工方面，大直径竖井全断面掘进机的研发和应用，显著提高了施工效率和质量。该设备能够实现竖井的一次成型，减少了传统施工方法中的多次支护和开挖工序，缩短了施工周期。同时，智能化施工技术也逐渐应用于深竖井施工中，如自动化监测系统能够实时监测施工过程中的各种参数，如地应力、围岩变形、涌水量等，为施工决策提供科学依据；远程控制系统可以实现对施工设备的远程操作和监控，提高了施工的安全性和可靠性。在井壁围岩稳定性分析方面，国内外研究主要集中在理论分析、数值模拟和现场监测等方面。理论分析方法主要基于岩石力学的基本原理，通过建立力学模型来分析井壁围岩的应力分布和变形规律。常用的理论模型包括弹性力学模型、弹塑性力学模型和流变力学模型等。弹性力学模型适用于分析井壁围岩在弹性阶段的力学行为，但对于复杂地质条件下的非线性变形问题，其分析结果存在一定的局限性。弹塑性力学模型考虑了岩石的塑性变形特性，能够更准确地描述井壁围岩在高应力作用下的力学行为，但计算过程相对复杂。流变力学模型则考虑了岩石的流变特性，对于长期稳定性分析具有重要意义，特别是在深部软岩地层中，流变效应往往不可忽视。数值模拟方法借助计算机技术，能够对井壁围岩的复杂力学行为进行模拟分析。常用的数值模拟软件如ANSYS、FLAC3D、ABAQUS等，具有强大的计算能力和丰富的材料模型库。通过数值模拟，可以直观地了解井壁围岩在不同施工阶段和不同工况下的应力、应变分布情况，预测围岩的破坏模式和变形趋势，为井壁支护设计提供参考依据。在数值模拟过程中，合理选择计算模型和参数是确保模拟结果准确性的关键，需要结合现场实际情况和岩石力学试验数据进行综合确定。现场监测是井壁围岩稳定性分析的重要手段之一，通过在施工现场布置各种监测仪器，如位移计、应力计、渗压计等，实时获取井壁围岩的变形、应力和地下水压力等数据。对监测数据进行分析和处理，可以及时发现井壁围岩的异常变化，评估其稳定性状况，并根据监测结果及时调整施工方案和支护参数。同时，现场监测数据还可以用于验证理论分析和数值模拟结果的准确性，为进一步完善井壁围岩稳定性分析方法提供实践依据。尽管国内外在深竖井施工方法及井壁围岩稳定性分析方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处。在施工方法方面，对于复杂地质条件下的深竖井施工，如高地应力、强涌水、破碎岩体等，现有的施工方法还存在一定的局限性，需要进一步研究和开发更加有效的施工技术和工艺。在井壁围岩稳定性分析方面，目前的理论模型和数值模拟方法虽然能够对一些常见的地质条件和工况进行分析，但对于一些特殊地质条件和复杂的力学行为，如岩石的各向异性、节理裂隙的影响、地下水与岩石的相互作用等，还难以准确描述和模拟。此外，现场监测数据的分析和处理方法还不够完善，如何从大量的监测数据中提取有用的信息，建立科学合理的稳定性评价指标体系，仍然是需要进一步研究的问题。综上所述，针对思山岭矿深竖井的复杂地质条件和工程要求，开展深入的施工方法及井壁围岩稳定性分析研究具有重要的必要性和紧迫性。通过本研究，有望解决思山岭矿深竖井施工中的关键技术难题，提高施工效率和安全性，为井壁支护设计提供更加科学准确的依据，同时也为其他类似矿山的深竖井建设提供有益的借鉴和参考。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究聚焦思山岭矿深竖井施工，主要涵盖施工方法剖析与井壁围岩稳定性分析两大核心板块。在施工方法研究方面，深入调研思山岭矿深竖井的地质条件，详细掌握地层岩性、地质构造以及水文地质状况，为后续施工方法的选择与优化提供坚实依据。全面梳理当前深竖井施工的各类方法，包括普通法凿井（如单行作业法、平行作业法、混合作业法）和特殊法凿井（如冻结法、钻井法、注浆法等），对比分析它们在思山岭矿地质条件下的适用性。综合考虑地质条件、工程进度、成本控制以及施工安全等多方面因素，确定思山岭矿深竖井的最优施工方法，并对该方法的施工工艺进行细致设计，明确各施工环节的技术参数与操作流程。同时，结合施工过程中的常见问题，制定相应的预防与解决措施，以确保施工的顺利进行。井壁围岩稳定性分析板块，通过室内岩石力学试验，获取思山岭矿岩石的物理力学参数，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等，为稳定性分析提供关键数据支持。运用理论分析方法，基于岩石力学的基本原理，建立井壁围岩的力学模型，分析在不同工况下（如开挖过程、支护后、长期服役过程）井壁围岩的应力分布和变形规律。借助数值模拟软件，如ANSYS、FLAC3D等，对井壁围岩的稳定性进行模拟分析，直观展示井壁围岩在施工和使用过程中的力学响应，预测可能出现的破坏模式和变形趋势。在施工现场布置位移计、应力计、渗压计等监测仪器，实时监测井壁围岩的变形、应力和地下水压力等数据，通过对监测数据的分析，及时评估井壁围岩的稳定性状况，并根据监测结果对施工方案和支护参数进行调整优化。1.3.2研究方法本研究采用文献研究法，广泛搜集国内外关于深竖井施工方法和井壁围岩稳定性分析的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、工程案例等，全面了解该领域的研究现状和发展趋势，为研究提供理论基础和实践经验借鉴。同时，深入思山岭矿施工现场，实地考察深竖井的地质条件、施工现状以及已采取的施工方法和支护措施，与现场工程技术人员进行交流，获取第一手资料。通过现场调研，明确工程中存在的问题和实际需求，为后续研究提供针对性的方向。此外，运用数值模拟法，基于现场地质条件和岩石力学参数，利用数值模拟软件建立井壁围岩的三维模型，模拟深竖井的施工过程和井壁围岩在不同工况下的力学行为。通过数值模拟，分析井壁围岩的应力、应变分布情况，预测围岩的破坏模式和变形趋势，为施工方案的优化和井壁支护设计提供科学依据。针对现场监测数据和数值模拟结果，运用数据分析方法进行深入分析。采用统计分析、回归分析等方法，挖掘数据中的潜在规律，建立井壁围岩稳定性评价指标体系。通过对数据的分析，评估井壁围岩的稳定性状况，验证数值模拟结果的准确性，为研究结论的得出提供数据支持。二、思山岭矿地质条件分析2.1矿区地层岩性思山岭矿地处辽宁省本溪市南芬区思山岭乡财神庙村胡家岭，大地构造位置处于中朝准地台胶辽台隆太子河一浑江台陷辽阳一本溪凹陷南缘。矿区内地层出露较为复杂，涵盖太古宇鞍山群、新元古界青白口系、震旦系、古生界以及第四系等。其中，太古宇鞍山群大峪沟组黑云角闪变粒岩是铁矿体的主要赋存地层，属于沉积变质型铁矿床。矿区揭露的主要岩石类型包括泥灰岩、石英岩、绿片岩、闪长玢岩、磁铁石英岩、赤铁石英岩等。不同岩石因其矿物组成和结构构造的差异，展现出独特的工程地质特性。泥灰岩作为一种碳酸盐岩，主要由黏土矿物和方解石组成。其颜色多呈灰色或灰白色，质地相对较软，抗压强度一般在20-50MPa之间。泥灰岩的吸水性较强，遇水后容易发生软化和泥化现象，导致强度降低。在工程建设中，若泥灰岩作为基础持力层，需充分考虑其遇水软化对工程稳定性的影响，必要时采取相应的加固措施，如注浆加固等。石英岩是一种主要由石英组成的变质岩，其石英含量通常在90%以上。岩石颜色多为白色、灰白色或浅黄色，质地坚硬，结构致密。石英岩具有较高的抗压强度，一般可达100-300MPa，抗风化能力强。在深竖井施工中，石英岩作为井壁围岩时，其良好的力学性能能够为井壁提供较强的支撑作用，有利于维持井壁的稳定性。然而，石英岩的脆性较大，在受到较大地应力作用时，可能会出现脆性破裂，从而影响井壁的完整性。闪长玢岩属于闪长岩类的浅成岩或超浅成岩，具有明显的斑状结构。其斑晶多为斜长石和普通角闪石，岩石整体颜色常为灰及灰绿色。闪长玢岩的主要矿物组成包括斜长石（60%±）、钾长石（13%±）、石英（10%±）、角闪石（8%±）等。岩石的抗压强度一般在60-120MPa之间，具有一定的力学强度。由于闪长玢岩常呈岩床、岩墙产状，或为闪长岩的边缘相，在矿区内其分布可能会对岩体的完整性产生一定影响。在竖井施工过程中，遇到闪长玢岩时，需关注其与周围岩石的接触关系，以及可能存在的裂隙发育情况，防止因岩体破碎导致施工安全问题。从工程地质岩组角度来看，矿区岩性可划分为三个工程地质岩组。松散软弱岩组主要为第四系松散软弱层，分布于矿区的中低山坡与沟谷下部。堆积厚度在0.2-0.5m，沟谷地带较厚可达0.5-10m。山坡上该岩组富含腐殖质，下部为卵砾石，沟谷地带主要由粉质粘土、砂土、卵砾石层组成。其工程地质特征表现为结构松散，固结度低，工程强度和稳固性差。在矿山建设中，该岩组一般不作为主要的承载层，若涉及到在该区域进行基础施工等工程活动，需要进行地基处理，如采用换填法、强夯法等，以提高地基的承载能力和稳定性。半坚硬—坚硬块状岩组包含基岩风化带及其下伏的局部裂隙发育地层。基岩风化带在矿区内广泛分布，大部分被薄层第四系覆盖，少部分直接出露地表。最小埋深57m，最大埋深184.4m，17个钻孔揭露的平均厚度125.07m，以泥灰岩、石英砂岩为主。表层基岩受风化及地下水作用影响，裂隙较发育，线裂隙率一般大于3-5条/米。岩心以块状、碎块状为主，部分呈柱状，岩石质量指标RQD小于50%，岩石质量为劣，岩体完整性差，岩体破碎。在该岩组进行工程施工时，由于岩体破碎，容易出现坍塌等问题，需要加强支护措施，如采用锚杆支护、喷射混凝土支护等，以确保施工安全和工程的稳定性。坚硬块状岩组分布于基岩风化带下部的广大地区，岩性涵盖混合岩、闪长玢岩、石英岩、绿泥石片岩、硅质白云石大理岩、赤铁石英岩、磁铁石英岩等。下部矿床以磁铁石英岩与赤铁石英岩为主，夹有黑云角闪片岩、闪长玢岩，矿石由赤（磁）铁矿、石英与角闪石组成。该岩组岩石致密坚硬，节理裂隙不发育。岩石硬度大，力学强度高，平均饱和单轴抗压强度为75.69-145.45Mpa，单样最低值60.79Mpa，最高值209Mpa，平均饱和单轴抗拉强度为6.2-8.35Mpa，单样最低值5.10Mpa，内摩擦角为38°06′-57°00′，属坚硬岩石。岩心以柱状、长柱状为主，RQD一般大于80%，岩石质量以好的、极好的为主，岩体较完整到完整，岩体为整体块状结构。在深竖井施工中，坚硬块状岩组为井壁提供了良好的稳定性基础，但在施工过程中仍需注意地应力等因素对岩体稳定性的潜在影响。2.2地质构造特征思山岭矿在漫长的地质演化进程中，历经多次构造运动的强烈作用，逐渐形成了现今较为复杂的地质构造格局。矿区内的构造体系主要包含两大类型，即北东—南西向构造体系以及走向315°-335°的构造体系，这些构造体系对矿区岩体的完整性与稳定性产生了至关重要的影响。北东—南西向构造体系在矿区构造格局中占据主导地位，其主要由规模宏大、分布紧密的线型褶皱，以及强烈的构造压性断裂带所构成。在震旦系以上的沉积层中，该构造体系表现尤为显著，走向大致在50°-60°左右。其挤压破碎带宽度通常在5-20米，带内岩石受到强烈的挤压和破碎，结构极为破碎，完整性遭到严重破坏。在该构造体系的影响下，矿区内的岩石产生了复杂的褶皱变形，使得岩层的产状发生了明显变化。在一些褶皱的轴部，岩石因受到强烈的拉伸和挤压作用，裂隙大量发育，岩体的完整性被极大削弱，进而导致岩体强度降低。当深竖井施工穿越这些区域时，由于岩体破碎，稳定性极差，容易引发井壁坍塌、涌水等严重的安全事故。走向315°-335°的构造体系由张性、压扭性断裂和褶皱构造共同组成。该构造体系呈现出明显的水平扭动与水平错动特征，随着构造的发育，脉状、网脉状构造裂隙与层面裂隙广泛分布。这些裂隙相互交织，将岩体切割成大小不一的碎块，极大地破坏了岩体的完整性。当井壁围岩处于该构造体系影响区域时，由于岩体被裂隙切割，在受到地应力作用时，容易沿着裂隙面发生滑动和变形。若支护措施不当，极有可能导致井壁失稳。在实际工程中，曾有类似矿山在该类构造区域施工时，因对构造裂隙的影响估计不足，井壁在施工过程中突然发生坍塌，造成了严重的人员伤亡和财产损失。除了上述两大主要构造体系外，矿区内的节理裂隙也较为发育。通过对地表10个点进行的节理裂隙调查统计，共统计到裂隙131条。这些节理裂隙的走向主要集中在NE10-20°、NE50-60°、NW315-335°方向，且倾角大多大于80°。地表最大裂隙宽度可达30mm，不过次生的小裂隙发育深度相对不大。节理裂隙的存在使得岩体的连续性遭到破坏，强度降低。在井壁围岩稳定性分析中，节理裂隙的影响不容忽视。它们不仅会降低岩体的抗剪强度，还可能成为地下水的运移通道，进一步恶化井壁围岩的工程地质条件。在地下水的长期作用下，裂隙面可能会发生软化和泥化现象，导致岩体的力学性能进一步降低。2.3岩体结构及工程地质分区思山岭矿的岩体结构呈现出显著的特征，其风化层与裂隙发育状况对岩体的稳定性和工程施工有着重要影响。在中强分化层，岩性主要为泥灰岩和石英岩，厚度范围在1.09-33.55m。该部分岩心呈碎块状，风化裂隙极为发育，这是由于长期暴露在地表，受到风化作用的强烈影响，岩石的完整性遭到严重破坏。下部岩石风化程度较弱，属于微风化岩，风化深度大致在70-200m左右。随着深度的增加，风化作用逐渐减弱，岩石的结构和强度得以较好地保存。在这个深度范围内，节理裂隙虽有发育，但相较于表层，其发育程度有所降低，多呈块状和短柱状。通过对地表10个点进行节理裂隙调查统计，共统计到裂隙131条。这些节理裂隙的走向主要集中在NE10-20°、NE50-60°、NW315-335°方向，且倾角大多大于80°。地表最大裂隙宽度可达30mm，不过次生的小裂隙发育深度相对不大。这表明在地表附近，岩体受到构造应力和风化作用的共同影响，形成了较为复杂的裂隙网络。随着深度的增加，地应力逐渐增大，裂隙的发育受到抑制，深部基岩裂隙常被绿泥石、方解石与石英等矿物充填，这在一定程度上增强了岩体的完整性和稳定性。从工程地质分区来看，依据钻孔工程地质编录、岩石物理力学性能测试以及野外工程地质调查的结果，思山岭矿平面上可大致划分为三个区域，分别为工程地质条件不良区（Ⅰ）、工程地质较差区（Ⅱ）和工程地质条件良好区（Ⅲ）。工程地质条件不良区（Ⅰ）主要集中在沟谷地带。这些区域通常堆积着第四系松散软弱层，厚度在0.2-0.5m，沟谷地带较厚可达0.5-10m。其岩性主要由粉质粘土、砂土、卵砾石层组成，山坡上还富含腐殖质。该区域的工程地质特征表现为结构松散，固结度低，工程强度和稳固性差。在深竖井施工过程中，若竖井穿越该区域，极易出现井壁坍塌、涌水等问题。由于土体的承载能力较低，难以承受竖井施工过程中的各种荷载，容易导致井壁失稳。松散的土体还为地下水的流动提供了通道，增加了涌水的风险。在施工时，需要采取特殊的加固和支护措施，如采用深层搅拌桩、高压旋喷桩等对土体进行加固，或者采用钢板桩、地下连续墙等进行支护，以确保施工安全。工程地质较差区（Ⅱ）涵盖基岩风化带及其下伏的局部裂隙发育地层。基岩风化带在矿区内广泛分布，大部分被薄层第四系覆盖，少部分直接出露地表。最小埋深57m，最大埋深184.4m，17个钻孔揭露的平均厚度125.07m，以泥灰岩、石英砂岩为主。表层基岩受风化及地下水作用影响，裂隙较发育，线裂隙率一般大于3-5条/米。岩心以块状、碎块状为主，部分呈柱状，岩石质量指标RQD小于50%，岩石质量为劣，岩体完整性差，岩体破碎。在该区域进行深竖井施工时，由于岩体破碎，稳定性较差，需要加强支护措施。可以采用锚杆支护、喷射混凝土支护等方式，增强岩体的整体性和稳定性。还需密切关注地下水的动态变化，采取有效的排水措施，防止地下水对井壁的侵蚀和软化作用。工程地质条件良好区（Ⅲ）分布于基岩风化带下部的广大地区，岩性包括混合岩、闪长玢岩、石英岩、绿泥石片岩、硅质白云石大理岩、赤铁石英岩、磁铁石英岩等。下部矿床以磁铁石英岩与赤铁石英岩为主，夹有黑云角闪片岩、闪长玢岩，矿石由赤（磁）铁矿、石英与角闪石组成。该区域岩石致密坚硬，节理裂隙不发育。岩石硬度大，力学强度高，平均饱和单轴抗压强度为75.69-145.45Mpa，单样最低值60.79Mpa，最高值209Mpa，平均饱和单轴抗拉强度为6.2-8.35Mpa，单样最低值5.10Mpa，内摩擦角为38°06′-57°00′，属坚硬岩石。岩心以柱状、长柱状为主，RQD一般大于80%，岩石质量以好的、极好的为主，岩体较完整到完整，岩体为整体块状结构。在该区域进行深竖井施工时，相对其他两个区域，施工条件较为有利。由于岩体的稳定性较好，井壁坍塌的风险较低。但在施工过程中，仍需注意地应力的变化，以及岩石的脆性破坏等问题。在开挖过程中，若地应力释放不均匀，可能导致岩石发生脆性破裂，影响井壁的稳定性。因此，需要合理选择施工方法和施工参数，如采用光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术，减少对岩体的扰动。三、思山岭矿深竖井施工方法3.1施工方案选择深竖井施工方法种类繁多，每种方法都有其独特的优势与适用条件。普通法凿井中的单行作业法，因施工工序相对简单，曾在早期竖井施工中被广泛应用。但由于其人工劳动强度大，施工过程中各工序交叉作业频繁，临时支护工作量大，导致施工速度缓慢，且安全风险较高。随着技术的发展，其在现代深竖井施工中的应用逐渐减少。平行作业法通过合理安排施工工序，实现了部分工序的并行作业，在一定程度上加快了施工进度。然而，该方法对施工设备的布置要求较高，施工现场的空间利用较为复杂，增加了施工管理的难度，同时也存在一定的安全隐患。混合作业法作为目前竖井施工的主流方法，具有诸多显著优势。在支护方面，采用整体模板支护，相较于传统的分散式支护方式，能够提高支护的整体性和稳定性，有效减少井壁变形和坍塌的风险。在凿岩作业中，使用液压伞钻打眼，这种设备具有钻孔速度快、精度高的特点，能够提高凿岩效率，保证钻孔质量。出渣环节运用抓岩机械，如中心回转抓岩机等，大大提高了出渣速度，减少了出渣时间。配合吊桶提升矸石，整个施工工艺流畅，施工成本相对较低，管理也更为方便，安全性好。在多个大型矿山的竖井施工中，混合作业法都取得了良好的施工效果，施工速度和质量都得到了有效保障。特殊法凿井针对特殊地质条件发挥着关键作用。冻结法是通过在井筒周围设置冻结管，向管内注入低温冷媒，使井壁周围的土体冻结，形成一个强度较高的冻土帷幕，从而为井筒施工提供安全保障。该方法常用于富水地层的竖井施工，如在一些冲积层深厚、地下水位高的地区，冻结法能够有效防止涌水和流沙等问题。钻井法利用大型钻井设备在地面进行井筒钻进，然后进行永久支护。这种方法适用于深厚表土层等复杂地质条件，能够避免在不稳定地层中进行直接挖掘带来的风险。注浆法通过向地层中注入浆液，填充地层中的裂隙和孔隙，改善地层的物理力学性质，达到加固和堵水的目的。在一些岩石破碎、涌水量较大的地层中，注浆法能够有效提高岩体的稳定性，减少涌水对施工的影响。对于思山岭矿深竖井施工而言，其地质条件复杂，对施工方法的选择提出了严格要求。从深度来看，该矿竖井深度较大，这就要求施工方法具备高效性和稳定性，能够在保证施工质量的前提下，加快施工进度，缩短施工周期。在岩性方面，矿区内地层岩性多样，包括泥灰岩、石英岩、绿片岩、闪长玢岩、磁铁石英岩、赤铁石英岩等。其中，泥灰岩质地相对较软，遇水易软化；石英岩质地坚硬，但脆性较大；闪长玢岩的分布对岩体完整性有一定影响。这些不同岩性的岩石，其工程地质特性差异较大，增加了施工的难度。综合考虑思山岭矿的地质条件，混合作业法是较为合适的施工方案。该方法的整体模板支护能够适应多种岩性的地层，有效保证井壁的稳定性。对于质地较软的泥灰岩，整体模板可以提供足够的支撑力，防止井壁坍塌；对于脆性较大的石英岩，整体模板能够减少岩石破裂对井壁的影响。液压伞钻打眼和抓岩机械出渣的高效性，能够在深竖井施工中发挥重要作用，提高施工效率，降低施工成本。混合作业法的施工管理相对方便，有利于应对复杂地质条件下可能出现的各种问题，保障施工安全。在特殊地质条件区域，如遇到富水地层或岩石破碎带时，可结合特殊法凿井进行施工。在富水地层中，采用冻结法与混合作业法相结合的方式，先通过冻结法形成冻土帷幕，解决涌水问题，再采用混合作业法进行井筒施工。在岩石破碎带，可先运用注浆法对岩体进行加固，提高岩体的稳定性，然后再采用混合作业法进行施工。通过这种综合施工方案，能够充分发挥不同施工方法的优势，有效解决思山岭矿深竖井施工中面临的各种难题，确保施工的顺利进行。3.2主要施工工艺3.2.1井筒钻进技术在思山岭矿深竖井施工中，选用了YZ-1型液压凿井钻机作为主要的钻进设备。该钻机具备高扭矩、大推力的特点，其最大扭矩可达100kN・m，最大推力为200kN，能够有效应对不同地层的钻进需求。YZ-1型液压凿井钻机采用先进的液压控制系统，可实现对钻进参数的精确调节，确保钻进过程的稳定性和高效性。其配备的自动化操作界面，使得操作人员能够实时监控钻进状态，及时调整参数，提高了施工的安全性和可靠性。钻进参数的控制对于保证井筒的质量和施工进度至关重要。在钻进过程中，严格控制钻压、转速和泵量等参数。钻压的大小直接影响钻进速度和钻头的磨损情况，根据不同地层的硬度，合理调整钻压。在软岩地层中，如泥灰岩地层，由于岩石硬度较低，钻压可控制在50-80kN，以避免钻头过度切入岩石，导致钻进不稳定和井壁坍塌。而在硬岩地层，如石英岩地层，岩石硬度较大，钻压需提高至100-150kN，以保证钻头能够有效破碎岩石，提高钻进效率。转速的控制与钻压密切相关，合适的转速能够使钻头与岩石充分接触，实现高效破碎。在软岩地层，转速一般控制在60-80r/min，这样既能保证钻头的切削效果，又能减少钻头的磨损。在硬岩地层，转速可适当降低至40-60r/min，以增加钻头的扭矩，提高破碎能力。泵量的大小则影响着排渣效果和钻头的冷却情况。一般情况下，泵量控制在200-300L/min，确保钻渣能够及时排出孔外，避免钻渣在孔内堆积，影响钻进效率和井壁质量。同时，充足的泵量还能起到冷却钻头的作用，延长钻头的使用寿命。不同地层在钻进时具有各自的技术要点和需要应对的措施。在泥灰岩地层钻进时，由于其吸水性强、遇水易软化的特性，需特别注意防止井壁坍塌。采取的主要措施包括优化泥浆性能，提高泥浆的护壁能力。选用优质的膨润土和添加剂，配置具有高粘度、低失水的泥浆，使泥浆能够在井壁表面形成一层致密的泥皮，增强井壁的稳定性。在钻进过程中，严格控制钻进速度，避免因钻进过快导致泥浆护壁不及时，引发井壁坍塌。根据实际工程经验，在泥灰岩地层中，钻进速度一般控制在0.5-1.0m/h。当遇到石英岩等硬岩地层时，岩石的硬度和脆性给钻进带来了挑战。为提高钻进效率，采用高硬度的合金钻头，并优化钻头的结构设计。选用含钨量高的硬质合金制成的钻头，其硬度高、耐磨性好，能够有效破碎石英岩。采用阶梯式钻头结构，增加钻头的切削刃数量，提高破碎效率。在钻进过程中，合理控制钻进参数，如适当提高钻压和降低转速，以减少钻头的磨损和避免岩石的脆性破裂。由于石英岩的脆性较大，在钻进过程中容易产生岩爆现象，因此需要加强对井壁的监测，及时发现并处理潜在的安全隐患。可以采用声发射监测技术，实时监测井壁岩石的破裂情况，一旦发现异常，立即停止钻进，采取相应的处理措施，如进行超前支护或卸压处理等。3.2.2出渣与提升系统出渣是深竖井施工中的重要环节，其效率直接影响施工进度。在思山岭矿深竖井施工中，选用了中心回转抓岩机作为主要的出渣设备，型号为HZ-6型。该抓岩机具有抓取能力强、工作效率高的特点，其提升能力为35kN，提升容积为0.6m³，生产率可达50m³/h。HZ-6型中心回转抓岩机采用中心回转式结构，能够在井筒内360°旋转，有效覆盖井筒底部的各个区域，实现高效出渣。其操作灵活，可通过远程控制或手动操作，适应不同的施工环境和工况。在出渣方式上，采用抓岩机将井底的岩渣抓取后，直接装入吊桶，然后通过提升系统将吊桶提升至井口。为确保出渣过程的高效、安全，在井底设置了专门的出渣平台，保证抓岩机能够稳定作业。出渣平台采用钢结构制作，具有足够的强度和稳定性，能够承受抓岩机和岩渣的重量。平台表面铺设防滑钢板，防止抓岩机在作业过程中打滑。在平台周边设置防护栏杆，确保操作人员的安全。同时，合理安排抓岩机的作业顺序和时间，避免出现抓岩机相互干扰的情况。根据井筒的直径和抓岩机的工作范围，制定详细的抓岩路线，使抓岩机能够有序地进行出渣作业，提高出渣效率。提升系统的选型依据主要包括竖井的深度、提升量以及施工安全要求等因素。思山岭矿深竖井深度较大，对提升系统的提升能力和稳定性提出了较高要求。经过综合考虑，选用了JKZ-4.0×3.0/18.5型提升机作为主提升设备，2JKZ-4.2×2.3P/18.5型提升机作为副提升设备。JKZ-4.0×3.0/18.5型提升机的最大提升速度为8m/s，最大提升重量为30t，能够满足深部竖井的提升需求。其采用先进的电气控制系统，具备精确的速度控制和定位功能，能够实现平稳提升和准确停车。2JKZ-4.2×2.3P/18.5型提升机则作为辅助提升设备，主要用于提升人员、材料和小型设备等，其性能参数也能够满足施工的需要。为保障出渣与提升的高效、安全运行，采取了一系列措施。在设备维护方面，建立了完善的设备定期检查和维护制度，定期对提升机、抓岩机等设备进行检查、保养和维修。每次施工前，对设备进行全面检查，确保设备的各项性能指标正常。定期对提升机的钢丝绳进行探伤检测，及时更换磨损或断丝的钢丝绳，确保提升安全。对抓岩机的机械部件进行润滑和紧固，保证抓岩机的正常运行。在操作规范方面，加强对操作人员的培训和管理，要求操作人员严格按照操作规程进行操作。制定详细的操作流程和安全注意事项，对操作人员进行定期培训和考核，确保操作人员熟练掌握设备的操作技能和安全知识。在提升过程中，严格控制提升速度和提升重量，避免超载和超速运行。同时，设置了完善的安全保护装置，如过卷保护、过速保护、过载保护等，一旦发生异常情况，能够及时停机，保障施工安全。3.2.3井壁支护技术在思山岭矿深竖井施工中，采用了锚网喷支护与混凝土衬砌相结合的井壁支护形式。这种支护形式能够充分发挥锚网喷支护和混凝土衬砌的优势，有效提高井壁的稳定性和承载能力。锚网喷支护作为一种主动支护方式，能够及时对井壁围岩进行加固，限制围岩的变形和破坏。混凝土衬砌则能够提供强大的支护抗力，增强井壁的整体性和防水性能。锚网喷支护的参数设计依据主要包括围岩的稳定性、地应力大小以及工程经验等。在思山岭矿，根据不同的工程地质分区，采用了不同的锚网喷支护参数。在工程地质条件不良区（Ⅰ），由于围岩稳定性较差，锚杆长度一般设计为2.5-3.0m，间距为0.8-1.0m，采用直径为22mm的螺纹钢锚杆。网片选用直径为6mm的钢筋焊接而成，网格尺寸为150mm×150mm。喷射混凝土的强度等级为C25，厚度为150-200mm。在工程地质较差区（Ⅱ），锚杆长度为2.0-2.5m，间距为1.0-1.2m，采用直径为20mm的螺纹钢锚杆。网片规格与不良区相同，喷射混凝土强度等级为C20，厚度为100-150mm。在工程地质条件良好区（Ⅲ），锚杆长度为1.5-2.0m，间距为1.2-1.5m，采用直径为18mm的螺纹钢锚杆。网片规格不变，喷射混凝土强度等级为C15，厚度为80-100mm。锚网喷支护的施工工艺如下：首先，在井壁上按照设计要求的间距和角度钻孔，然后将锚杆插入孔内，并使用锚固剂进行锚固。锚固剂选用高强度的树脂锚固剂，确保锚杆能够牢固地固定在围岩中。安装好锚杆后，将网片铺设在井壁上，并与锚杆进行连接。连接方式采用铁丝绑扎或焊接，确保网片与锚杆形成一个整体。最后，进行喷射混凝土作业。喷射混凝土采用湿喷工艺，将混凝土原材料在搅拌机中搅拌均匀后，通过混凝土喷射机将混凝土喷射到井壁上。在喷射过程中，严格控制喷射压力和喷射角度，确保混凝土能够均匀地覆盖在井壁上，且与网片和锚杆紧密结合。喷射混凝土的厚度应符合设计要求，通过在井壁上设置厚度控制点进行控制。混凝土衬砌的参数设计依据主要包括竖井的深度、地应力大小、井壁的防水要求以及工程经验等。在思山岭矿深竖井施工中，混凝土衬砌的厚度根据不同的深度段进行设计。在浅部地层，混凝土衬砌厚度一般为300-400mm，采用C30混凝土。随着深度的增加，地应力增大，混凝土衬砌厚度逐渐增加。在深部地层，混凝土衬砌厚度达到500-600mm，采用C40混凝土。为提高混凝土的抗渗性能，在混凝土中添加适量的抗渗剂。同时，在混凝土衬砌中设置双层钢筋网，增强混凝土衬砌的承载能力。钢筋网采用直径为16mm的螺纹钢，间距为200mm×200mm。混凝土衬砌的施工工艺如下：在进行混凝土衬砌之前，先对井壁进行清理和修整，确保井壁表面平整、无杂物。然后，安装模板。模板采用液压整体模板，具有安装方便、精度高、密封性好等优点。模板安装完成后，进行钢筋绑扎。按照设计要求，将钢筋绑扎成钢筋网，并固定在模板上。钢筋的连接方式采用焊接或机械连接，确保钢筋的连接强度。在钢筋绑扎完成后，进行混凝土浇筑。混凝土采用搅拌站集中搅拌，通过混凝土输送泵将混凝土输送到模板内。在浇筑过程中，采用插入式振动棒进行振捣，确保混凝土的密实性。混凝土浇筑应连续进行，避免出现冷缝。当混凝土达到一定强度后，拆除模板，并对混凝土衬砌进行养护。养护时间不少于7天，确保混凝土的强度和耐久性。3.3马头门施工技术3.3.1工程概况思山岭矿深竖井的马头门工程是整个竖井施工中的关键环节，其设计与施工质量直接关系到竖井的安全运行以及后续的采矿作业。本溪思山岭铁矿SJ1(副井)工程井筒设计净直径达10m，设计深度为1497.7m，井口标高处于+215.2m，井底标高为-1282.5m(不含封底)。在+187，-482.5，-602.5，-662.5，-722.5，-782.5，-842.5，-872.5m等多个中段均设计有大断面马头门。其中，除-482.5m中段为双侧马头门外，其余均为单侧马头门。这些马头门的工程内容丰富且复杂，涵盖了马头门本体、操作硐室、马头门外延5m巷道、罐笼承罐锁罐硐室、基础、绕道及5m延伸段等多个部分。马头门采用倾斜式设计，净断面宽度为8.4m，长度达7m，开口高度7m，里侧最低端高度5.1m。马头门外延5m的巷道，宽度为8.4m，高度5.1m，支护形式采用锚网一次性支护加500mm的双层钢筋混凝土永久支护，合计支护长度为12m。每个马头门还另有5m左右的联络巷，净断面宽度6.8m，高度5.05m。如此算来，每个马头门需要施工的总长度约为17m。从马头门的数量和分布来看，其数量众多且分布在不同的中段，这增加了施工的复杂性和难度。不同中段的地质条件存在差异，如岩石的硬度、完整性以及地应力大小等都不尽相同，这就要求在施工过程中根据各中段的具体地质条件，制定相应的施工方案和支护措施。在岩石硬度较大的中段，凿岩爆破的参数需要进行调整，以确保施工效率和质量；而在地应力较高的中段，支护结构的设计需要更加加强，以保证马头门的稳定性。从尺寸和结构来看，马头门的大断面设计对施工技术和设备提出了更高的要求。大断面意味着在施工过程中需要更大的施工空间和更强的支护能力。在凿岩爆破时，需要保证爆破效果，避免出现超欠挖现象，影响马头门的成型质量。在支护过程中，要确保支护结构能够承受更大的地压和围岩变形，防止出现坍塌等安全事故。在整个竖井施工中，马头门起到了连接竖井与各中段巷道的关键作用，是人员、设备、材料进出竖井以及矿石提升的重要通道。其施工质量直接影响到竖井的正常使用和矿山的生产效率。如果马头门施工质量不佳，可能会导致马头门变形、坍塌，进而影响竖井的安全运行，甚至可能引发矿山生产事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，必须高度重视思山岭矿深竖井马头门的施工，采用先进的施工技术和科学的管理方法，确保施工质量和安全。3.3.2施工工艺在思山岭矿深竖井马头门施工中，采用大断面正台阶法多步凿岩爆破工艺。做好井筒段高的控制至关重要，精确确定上部台阶的出碴高度，为后续施工奠定基础。在实际操作中，技术人员会根据井筒的设计参数和现场实际情况，通过测量仪器精确测量，确定出碴高度，一般控制在2-3m，以保证上部台阶施工的稳定性和安全性。快速测量定边环节，利用井筒中心线及边线标定出马头门中心，并使用钢钉将其投在已浇筑好的井壁灰面上。每次凿岩爆破前，技术人员会根据标定的中心，仔细画出马头门拱部轮廓线及墙边线。在-602.5m中段马头门施工时，技术人员采用高精度全站仪进行测量，确保标定的准确性，误差控制在±5mm以内，为后续的凿岩爆破提供了精确的定位依据。控制好马头门顶板是关键，预留二次光爆层。选用YT-28型气腿式凿岩机，配备Φ22mm六角中空成品钎钢，长度为2.5m，搭配Φ40mm柱齿合金钻头进行钻眼。在钻眼过程中，技术人员会根据围岩情况严格控制周边眼眼距。在围岩较为破碎的区域，周边眼眼距控制在300-350mm，以减少对围岩的扰动；在围岩完整性较好的区域，周边眼眼距可适当增大至350-400mm。爆破后及时出渣，随着井筒下掘下部台阶，有序开挖马头门墙部。蹬碴施工时，用电挖迅速将工作面碴石平整，为上部台阶第二段马头门拱部蹬碴作业创造条件，并预留二次光面爆破岩层。后续炮眼使用5m长钎杆压顶，以形成半眼光爆顶板，按照此方法逐步施工马头门至设计规格。在-722.5m中段马头门施工中，通过合理的蹬碴施工，有效提高了施工效率，缩短了施工周期。使用Φ32mm2#岩石乳化炸药和半秒延期导爆管雷管起爆，人工装药联线分多步爆破马头门拱部及墙部。在爆破过程中，严格按照爆破设计方案进行操作，控制好爆破顺序和装药量，确保爆破效果和施工安全。井筒出渣选用2台中心回转抓岩机，配合电动小挖进行清底。马头门出渣则利用电动小挖将马头门渣石导排至井筒，再由中心回转抓岩机将渣石装入吊桶内，通过主提(5m³)和副提(4m³)提升机提升到井口。为加快马头门电挖出碴倒碴速度，用专用钢丝绳将其悬吊在吊盘之下避炮。在实际施工中，中心回转抓岩机的抓取能力和工作效率直接影响出渣速度，其提升能力为35kN，提升容积为0.6m³，生产率可达50m³/h，能够满足马头门出渣的需求。按照自上而下的顺序施工锚杆眼，使用YT-28型气腿式凿岩机，搭配Φ22×3500mm钎杆和Φ40合金头进行打眼，眼深控制在3m，方向垂直于井壁。挂网顺序与打眼顺序相同，网片与网片之间搭接100mm。施工人员先用吹风管将锚杆眼内积水、岩粉及碎石吹干净，然后安装锚杆锚固剂进行锚固。在-662.5m中段马头门锚网施工中，通过严格控制施工工艺，确保了锚杆的锚固力达到设计要求，为井壁的稳定性提供了保障。待锚杆凝结牢固后，挂网并安装托板，用螺母固定。根据井筒中心线和施工图纸，用红漆在工作面准确画出定钢筋的绑扎位置，以便有效控制钢筋绑扎质量。按照由下而上的顺序，按批次定量下放钢筋，严格按设计和规范要求进行安装。在钢筋绑扎过程中，确保钢筋的间距、数量和连接方式符合设计要求。在-842.5m中段马头门钢筋绑扎时，技术人员对钢筋的绑扎质量进行了严格检查，发现并纠正了部分钢筋间距不符合要求的问题，保证了钢筋绑扎的质量。利用井筒中心线和边线，将两线延长点瞄至马头门底板上，并在该点架设经纬仪，反复调整仪器，使仪器与方向线趋于一致。利用木桩定点，将马头门方向线标设于巷道顶板，用于马头门支护施工时的方向控制。马头门支护采用井筒液压整体模板辅以马头门预制组合式金属支架、组合模板联合支模。技术人员提前在地表仔细清点模板支架及其组件，按不同组件分组编号归类，并按施工次序下放异型模组件，精确就位并快速组装加以固定。在-872.5m中段马头门支护施工中，通过精确的方向控制和快速的模板组装，提高了支护施工的效率和质量。在井口设置自动计量搅拌站，采用4m³底卸式吊桶下放混凝土，混凝土通过下层吊盘主、副提溜灰喇叭口和溜灰节下放到工作面，直接入模(井筒内直接入模，马头门内设溜灰槽)。从下部井筒开始分层浇筑，采用插入式振动棒分层、对称振捣。在混凝土浇筑过程中，严格控制浇筑速度和振捣时间，确保混凝土的密实性。在-782.5m中段马头门混凝土浇筑时，通过合理的施工工艺，避免了混凝土出现蜂窝、麻面等质量问题。从马头门里侧逐段拆模，拆下的模板和组件装入吊桶提升到地表。异型组合模板按次序、编组提升到地表后，除去模板及支架表面杂物，在模板表面涂油，将模板及支架按序号摆放到指定地点，并对变形及时修复，以备下次使用。在模板拆除和修复过程中，建立了严格的管理制度，确保模板的重复利用率和使用质量。通过以上施工工艺的实施，有效提高了思山岭矿深竖井马头门的施工效率和质量，为竖井的安全运行提供了有力保障。3.4施工组织与管理在思山岭矿深竖井施工中，劳动组织安排遵循高效、专业的原则，确保各施工环节有序进行。施工人员主要包括凿岩工、爆破工、出渣工、支护工、机电工、测量工等多个工种，不同工种各司其职，协同作业。凿岩工负责井筒钻进和马头门凿岩作业，其工作直接影响施工进度和质量。在思山岭矿深竖井施工中，配备了10名经验丰富的凿岩工，分为两个班组，实行轮班作业。每个班组在工作前，都要对凿岩设备进行检查和调试，确保设备正常运行。在钻进过程中，严格按照操作规程操作，控制好钻进参数，如钻压、转速和泵量等。在泥灰岩地层钻进时，凿岩工根据岩石特性，将钻压控制在50-80kN，转速控制在60-80r/min，泵量控制在200-300L/min，有效避免了井壁坍塌等问题。爆破工作具有较高的危险性，对爆破工的专业技能和安全意识要求极高。该矿配备了5名专业爆破工，负责井筒和马头门的爆破作业。爆破工在作业前，要根据岩石性质、井巷断面和施工要求等因素，设计合理的爆破参数，如炮眼布置、装药量、起爆顺序等。在思山岭矿马头门施工中，采用大断面正台阶法多步凿岩爆破工艺，爆破工根据该工艺要求，合理布置炮眼，严格控制装药量，使用Φ32mm2#岩石乳化炸药和半秒延期导爆管雷管起爆，人工装药联线分多步爆破马头门拱部及墙部，确保了爆破效果和施工安全。出渣工负责将井底的岩渣清理并运输至井口，其工作效率直接影响施工进度。在该矿深竖井施工中，配备了8名出渣工，配合中心回转抓岩机和电动小挖进行出渣作业。出渣工在工作时，要确保抓岩机和电动小挖的正常运行，及时清理井底的岩渣，将岩渣装入吊桶，并指挥提升机将吊桶提升至井口。为提高出渣效率，出渣工制定了详细的出渣计划，合理安排抓岩机和电动小挖的作业顺序和时间，避免出现设备相互干扰的情况。支护工作是保证井壁稳定的关键，支护工负责锚网喷支护和混凝土衬砌等作业。在思山岭矿深竖井施工中，配备了12名支护工，分为锚网支护班组和混凝土衬砌班组。锚网支护班组按照自上而下的顺序施工锚杆眼，使用YT-28型气腿式凿岩机，搭配Φ22×3500mm钎杆和Φ40合金头进行打眼，眼深控制在3m，方向垂直于井壁。挂网顺序与打眼顺序相同，网片与网片之间搭接100mm。施工人员先用吹风管将锚杆眼内积水、岩粉及碎石吹干净，然后安装锚杆锚固剂进行锚固。混凝土衬砌班组负责混凝土的浇筑和振捣工作，确保混凝土的密实性和强度。在浇筑过程中，采用插入式振动棒分层、对称振捣，严格控制浇筑速度和振捣时间，避免出现蜂窝、麻面等质量问题。机电工负责施工设备的安装、调试、维护和检修工作，确保设备的正常运行。在思山岭矿深竖井施工中，配备了6名机电工，分为井上和井下两个小组。井上小组负责地面设备的维护和管理，如提升机、搅拌机等；井下小组负责井下设备的维护和管理，如凿岩机、抓岩机等。机电工建立了完善的设备定期检查和维护制度，定期对设备进行检查、保养和维修。每次施工前，对设备进行全面检查，确保设备的各项性能指标正常。定期对提升机的钢丝绳进行探伤检测，及时更换磨损或断丝的钢丝绳，确保提升安全。测量工负责施工过程中的测量工作，为施工提供准确的测量数据，确保施工符合设计要求。在思山岭矿深竖井施工中，配备了4名测量工，负责井筒中心线、边线和马头门中心的标定，以及井壁和马头门的轮廓线测量等工作。测量工在工作时，使用高精度全站仪、水准仪等测量仪器，确保测量数据的准确性。在标定马头门中心时，测量工利用井筒中心线及边线，将中心标定在已浇筑好的井壁灰面上，每次凿岩爆破前，仔细画出马头门拱部轮廓线及墙边线，为施工提供了精确的定位依据。施工进度管理是确保工程按时完成的关键，在思山岭矿深竖井施工中，制定了详细的施工进度计划，明确各阶段的施工任务和时间节点。进度计划以横道图和网络图的形式呈现，直观地展示了各施工工序的先后顺序和时间安排。在井筒施工阶段，根据地质条件和施工工艺，将施工过程分为井筒钻进、出渣、支护等多个工序，每个工序都设定了合理的施工时间。在正常地质条件下，井筒钻进每天的进尺控制在3-5m，出渣和支护工作紧密配合，确保施工的连续性。为保障施工进度计划的顺利实施，采取了一系列有效的保障措施。加强设备管理，确保施工设备的正常运行。建立了完善的设备维护保养制度，定期对设备进行检查、维修和保养，及时更换易损件，确保设备的完好率。在提升系统中，定期对提升机的制动系统、钢丝绳等关键部件进行检查和维护，确保提升安全和高效。同时，配备了备用设备，如备用提升机、备用抓岩机等，一旦主设备出现故障，能够及时启用备用设备，避免因设备故障导致施工延误。优化施工工艺，提高施工效率。在井筒钻进过程中，根据不同地层的特点，合理调整钻进参数，采用先进的钻进技术和设备，提高钻进速度。在泥灰岩地层中，采用优化的泥浆护壁技术，有效防止了井壁坍塌，提高了钻进效率。在马头门施工中，采用大断面正台阶法多步凿岩爆破工艺，合理安排施工工序，实现了快速、高效施工。加强人员管理，提高施工人员的工作积极性和责任心。建立了科学的绩效考核制度，将施工人员的工作表现与绩效工资挂钩，对表现优秀的人员进行奖励，对工作不力的人员进行处罚。定期组织施工人员进行培训，提高其专业技能和安全意识，确保施工人员能够熟练掌握施工工艺和操作规程，提高施工质量和效率。强化现场管理，及时解决施工中出现的问题。建立了现场调度制度，安排专人负责施工现场的调度和协调工作。及时解决施工中出现的设备故障、材料供应不足等问题，确保施工的顺利进行。加强与建设单位、监理单位的沟通和协调，及时反馈施工进度和质量情况，根据各方意见及时调整施工方案和进度计划。四、井壁围岩稳定性影响因素分析4.1岩石力学性质岩石力学性质是影响井壁围岩稳定性的关键内在因素，其主要通过岩石的抗压、抗拉、抗剪强度以及弹性模量、泊松比等力学参数来体现。在思山岭矿，不同岩性的岩石展现出各异的力学性质，对井壁围岩稳定性产生着不同程度的影响。抗压强度是衡量岩石抵抗轴向压力能力的重要指标。思山岭矿的石英岩，其质地坚硬，结构致密，抗压强度一般可达100-300MPa。当井壁围岩主要由石英岩构成时，在正常施工和使用过程中，能够承受较大的地压，为井壁提供稳定的支撑，有利于维持井壁的完整性和稳定性。而泥灰岩质地相对较软，抗压强度一般在20-50MPa之间。在相同的地压作用下，泥灰岩作为井壁围岩时，其抵抗压力的能力较弱，更容易发生变形和破坏，从而威胁井壁的稳定性。若在泥灰岩地层施工时，不采取有效的支护措施，随着地压的逐渐增大，泥灰岩可能会被压缩、破碎，导致井壁坍塌。抗拉强度反映了岩石抵抗拉伸破坏的能力。岩石在受到拉伸应力时，若超过其抗拉强度，就会产生裂缝，进而影响岩体的完整性和稳定性。思山岭矿的岩石平均饱和单轴抗拉强度为6.2-8.35Mpa，单样最低值5.10Mpa。在井壁围岩受力过程中，当受到拉伸应力作用时，抗拉强度较低的岩石更容易出现拉伸破坏。在井筒开挖过程中，由于岩体的卸载作用，井壁围岩可能会产生拉应力。若岩石的抗拉强度不足，就会在井壁周边产生拉伸裂缝，这些裂缝可能会进一步扩展，导致井壁围岩的失稳。抗剪强度体现了岩石抵抗剪切破坏的能力，它与岩石的内摩擦角和内聚力密切相关。思山岭矿岩石的内摩擦角为38°06′-57°00′，内聚力也因岩石种类而异。内摩擦角和内聚力较大的岩石，其抗剪强度较高，在受到剪切力作用时，能够更好地保持岩体的稳定性。在断层附近或节理裂隙发育的区域，岩体往往会受到剪切力的作用。如果岩石的抗剪强度足够高，就能抵抗这种剪切力，防止岩体沿着节理裂隙或断层发生滑动，从而保证井壁围岩的稳定性。反之，若抗剪强度不足，岩体就容易发生剪切破坏，引发井壁坍塌等事故。弹性模量和泊松比是描述岩石弹性性质的重要参数。弹性模量反映了岩石在弹性阶段应力与应变的关系，弹性模量越大，岩石越不容易变形。泊松比则表示岩石在横向应变与纵向应变的比值。在思山岭矿的岩石中，不同岩性的弹性模量和泊松比存在差异。石英岩的弹性模量相对较高，在受到外力作用时，其变形较小，能够较好地保持井壁的形状和稳定性。而泥灰岩的弹性模量较低，在相同外力作用下，变形相对较大。这就意味着在泥灰岩地层中，井壁更容易发生变形，需要更加强化的支护措施来保证其稳定性。泊松比的大小也会影响岩石在受力时的变形特征，进而影响井壁围岩的稳定性。当岩石的泊松比较大时，在受到轴向压力时，其横向变形也会较大，这可能会导致井壁周边的应力分布发生变化，增加井壁失稳的风险。岩石力学性质对井壁围岩稳定性有着至关重要的影响。在思山岭矿深竖井施工和运营过程中，充分了解岩石的力学性质，根据不同岩石的特点采取相应的支护和加固措施，是确保井壁围岩稳定性的关键。对于抗压强度较低的泥灰岩地层，可采用增加锚杆长度和密度、提高喷射混凝土强度等措施，增强井壁的承载能力；对于抗拉强度不足的区域，可通过铺设钢筋网等方式，提高岩石的抗拉性能；对于抗剪强度较低的节理裂隙发育区域，可采用注浆加固等方法，提高岩体的抗剪强度。通过这些针对性的措施，能够有效提高井壁围岩的稳定性，保障深竖井的安全运行。4.2地质构造因素地质构造是影响井壁围岩稳定性的重要外部因素，其主要通过断层、节理、裂隙等构造形式，对围岩的稳定性产生多方面的影响。在思山岭矿，复杂的地质构造格局使得井壁围岩的稳定性面临严峻挑战。断层作为一种大规模的地质构造，对围岩稳定性的影响极为显著。思山岭矿内存在北东—南西向和走向315°-335°的构造体系，其中北东—南西向构造体系的挤压破碎带宽度通常在5-20米，带内岩石破碎严重。断层的存在使得岩体的连续性被完全破坏，形成了明显的结构面。在断层附近，岩体的完整性遭到极大削弱，强度大幅降低。当井壁穿越断层时，由于断层带内岩石破碎，无法提供足够的支撑力，井壁极易发生坍塌。断层还可能导致地应力的重新分布，在断层两侧形成应力集中区域。这些应力集中区域的应力值远高于正常地应力，对井壁围岩的稳定性构成严重威胁。在应力集中的作用下，围岩可能会产生新的裂缝，进一步加剧岩体的破碎程度，从而导致井壁失稳。在某矿山的竖井施工中，当竖井穿越一条断层时，尽管采取了加强支护措施，但由于断层带内岩石过于破碎，且地应力集中现象严重，最终仍发生了井壁坍塌事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。节理和裂隙是岩体中常见的小型地质构造，它们虽然规模相对较小，但对围岩稳定性的影响同样不容忽视。在思山岭矿，通过对地表10个点的节理裂隙调查统计，共统计到裂隙131条。这些节理裂隙主要走向为NE10-20°、NE50-60°、NW315-335°，且倾角大多大于80°。节理和裂隙的存在破坏了岩体的完整性，将岩体切割成大小不一的块体。这些被切割的块体之间的连接力较弱，在受到地应力作用时，容易沿着节理和裂隙面发生滑动和错动。当井壁围岩中存在大量节理和裂隙时，岩体的强度会显著降低，其承载能力也会大幅下降。节理和裂隙还可能成为地下水的运移通道，进一步恶化井壁围岩的工程地质条件。在地下水的长期作用下，节理和裂隙面可能会发生软化和泥化现象，导致岩体的抗剪强度进一步降低。在某隧道工程中，由于岩体节理裂隙发育，地下水通过节理裂隙渗入，使得围岩强度降低，最终导致隧道衬砌出现裂缝和变形。地质构造还会改变岩体的应力分布状态。在褶皱构造区域，岩层发生弯曲变形，使得岩体内部的应力分布变得不均匀。在褶皱的轴部，由于岩层受到拉伸和挤压作用，应力集中现象较为明显。当井壁位于褶皱轴部时，围岩所承受的应力较大，容易发生破坏。在背斜构造的顶部，岩体受到拉伸应力的作用，可能会产生张性裂缝；而向斜构造的底部，岩体受到挤压应力的作用，可能会导致岩体的压实和破碎。这些应力分布的变化都会对井壁围岩的稳定性产生不利影响。地质构造因素对思山岭矿井壁围岩稳定性有着重要影响。在深竖井施工和运营过程中，必须充分考虑地质构造的影响，采取有效的支护和加固措施。对于断层区域，可采用加强支护结构、注浆加固等方法，提高断层带内岩体的强度和稳定性。对于节理裂隙发育区域，可通过喷射混凝土封闭裂隙、安装锚杆等方式，增强岩体的整体性和抗滑能力。还应加强对地质构造的勘察和监测，及时掌握地质构造的变化情况，为井壁围岩稳定性分析和支护设计提供准确依据。4.3地下水作用思山岭矿的水文地质条件复杂，地下水对井壁围岩稳定性的影响不容忽视。矿区内地表水体主要有三道河和小夹河，三道河发源于思山岭乡南沟，由南向北流经矿区中部，最终注入小夹河。小夹河由西南向东北流经矿区，在矿区内流程约4km，是太子河的支流。这些地表水体与地下水之间存在着密切的水力联系，可能会对竖井施工和井壁围岩稳定性产生影响。矿区地下水类型主要包括第四系松散岩类孔隙水、基岩风化带网状裂隙水、基岩构造裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散堆积物中，其含水层厚度较小，富水性较弱。但在沟谷地带，由于堆积物较厚，且与地表水存在水力联系，可能会在竖井施工时产生涌水现象，对井壁围岩稳定性造成威胁。基岩风化带网状裂隙水分布于基岩风化带中，裂隙较为发育，富水性中等。在风化带施工时，地下水可能会通过裂隙涌出，软化井壁围岩，降低其强度，增加井壁坍塌的风险。基岩构造裂隙水受地质构造控制，在断层、节理等构造部位较为富集。思山岭矿内存在北东—南西向和走向315°-335°的构造体系，这些构造带内岩石破碎，裂隙发育，为地下水的储存和运移提供了良好的通道。当竖井穿越这些构造带时，可能会遇到大量涌水，导致井壁围岩失稳。碳酸盐岩岩溶裂隙水主要赋存于泥灰岩等碳酸盐岩中，岩溶作用使得岩石中形成了大量的溶洞和裂隙，富水性较强。若竖井施工中遇到岩溶发育区域，可能会发生突水、突泥等灾害，严重影响井壁围岩稳定性和施工安全。地下水对井壁围岩稳定性的影响主要体现在以下几个方面。地下水会软化岩石，降低其强度。思山岭矿中的泥灰岩等岩石，遇水后容易发生软化和泥化现象。泥灰岩中的黏土矿物在水的作用下，会发生膨胀和分散，导致岩石的结构破坏，强度降低。在地下水的长期浸泡下，泥灰岩的抗压强度可能会降低30%-50%，这使得井壁围岩在受到地压作用时，更容易发生变形和破坏。地下水会增加孔隙水压力，降低有效应力。当井壁围岩中存在地下水时，孔隙水压力会作用于岩石颗粒之间，减小颗粒间的有效应力。根据有效应力原理，有效应力的降低会导致岩石的抗剪强度降低。在竖井开挖过程中，随着井壁周围岩体的应力重新分布，孔隙水压力的增加可能会使围岩更容易发生剪切破坏。在某矿山的竖井施工中，由于地下水的作用，孔隙水压力增大，导致井壁围岩的抗剪强度降低，最终发生了井壁坍塌事故。地下水还可能引发渗透破坏。在地下水的渗流作用下，井壁围岩中的细小颗粒可能会被带走，导致岩体的结构破坏，形成渗透通道。随着渗透作用的持续进行，渗透通道可能会不断扩大，最终引发涌水、流砂等事故，严重威胁井壁围岩稳定性。在富含砂质的地层中，地下水的渗流容易引发流砂现象，使井壁周围的土体失去稳定性，导致井壁坍塌。为减少地下水对井壁围岩稳定性的影响，在思山岭矿深竖井施工中采取了一系列防治措施。加强水文地质勘察，详细了解矿区地下水的分布、类型、水位、水量等情况，为施工提供准确的水文地质资料。在竖井施工前，通过钻探、物探等方法，对地下水情况进行全面勘察，绘制地下水等水位线图，分析地下水的补给、径流和排泄条件，为制定合理的防治措施提供依据。采用有效的排水措施，降低地下水位。在竖井周围设置排水井、排水廊道等排水设施，将地下水引排至地表。在施工过程中，根据地下水的涌水量和水位变化，及时调整排水方案，确保地下水位始终低于施工工作面。在富水地层中，采用超前预注浆等方法，封堵地下水的通道，减少涌水量。通过这些防治措施的实施，能够有效降低地下水对井壁围岩稳定性的影响，保障思山岭矿深竖井施工的安全和顺利进行。4.4施工扰动影响在思山岭矿深竖井施工过程中，爆破与开挖等作业是不可避免的关键环节，但这些施工活动会对井壁围岩稳定性产生显著的扰动影响。爆破作业作为井筒开挖和马头门施工的重要手段，在释放巨大能量以破碎岩石的同时，也会产生强烈的震动波。这些震动波以弹性波的形式在岩体中传播，其传播速度和能量衰减与岩体的性质密切相关。在思山岭矿，不同岩性的岩体对爆破震动波的响应存在差异。对于坚硬的石英岩，由于其弹性模量较高，震动波在其中传播速度较快，但能量衰减相对较慢。这意味着爆破震动波在石英岩中传播时，能够较远地传递能量，对较远区域的岩体产生影响。而对于相对较软的泥灰岩，震动波传播速度较慢，能量衰减较快。当爆破震动波作用于井壁围岩时，会使围岩产生动态应力。这种动态应力与岩体的静态地应力叠加，可能导致井壁围岩局部应力超过其强度极限。在实际工程中，若爆破参数设置不合理，如装药量过大、炮眼间距过小等，会使爆破震动强度增大，从而增加井壁围岩失稳的风险。在某矿山的竖井施工中，由于爆破装药量过大，导致井壁围岩出现大量裂缝，部分区域甚至发生坍塌。爆破震动还可能引发岩体内部原有节理裂隙的扩展和贯通。思山岭矿岩体中存在着大量的节理裂隙，爆破震动会使这些节理裂隙在动态应力作用下进一步张开、扩展，削弱岩体的完整性和强度。当节理裂隙相互贯通后，岩体被切割成更小的块体，其承载能力大幅下降，容易导致井壁失稳。开挖作业同样会对井壁围岩稳定性产生重要影响。在井筒钻进和马头门开挖过程中，随着岩体的不断被移除，井壁周围的应力场会发生重新分布。原本处于平衡状态的岩体，由于开挖卸荷作用，会在井壁周边产生应力集中现象。在竖井开挖初期，井壁周边的切向应力会显著增大，而径向应力则会减小。当切向应力超过岩体的抗拉强度时，井壁围岩就会出现拉伸裂缝。随着开挖深度的增加，地应力逐渐增大，井壁围岩的应力集中现象会更加明显，对稳定性的影响也更为严重。开挖过程中的机械扰动也不容忽视。在使用凿岩机、抓岩机等设备进行施工时，这些设备的振动和冲击会对井壁围岩产生一定的扰动。尤其是在软弱地层或节理裂隙发育区域，机械扰动可能会加剧岩体的破碎程度，降低其稳定性。在泥灰岩地层中，机械扰动可能会使原本就较软的泥灰岩进一步软化，导致井壁围岩更容易发生变形和坍塌。为减小施工扰动对井壁围岩稳定性的影响，采取合理的控制措施至关重要。在爆破作业方面，优化爆破参数是关键。根据不同的岩性和地质条件，通过现场试验和数值模拟等方法，确定合理的装药量、炮眼间距、起爆顺序等参数。采用微差爆破技术，控制爆破震动的峰值和持续时间，减少对井壁围岩的影响。在开挖作业方面，采用合理的开挖方式，如分层分段开挖，避免一次性开挖过大面积，以减小应力集中现象。加强对开挖过程的监测，实时掌握井壁围岩的变形和应力变化情况，根据监测结果及时调整施工方案和支护参数。五、井壁围岩稳定性分析方法5.1理论分析方法理论分析方法在井壁围岩稳定性研究中占据重要地位，它基于岩石力学的基本原理，通过建立科学的力学模型，深入分析井壁围岩在不同工况下的应力分布与变形规律，为工程实践提供坚实的理论支撑。5.1.1极限平衡理论极限平衡理论是井壁围岩稳定性分析的重要理论基础之一。该理论以摩尔-库仑强度准则为核心，认为当岩体中某点的应力状态满足摩尔-库仑强度条件时，岩体就会处于极限平衡状态，若应力继续增加，岩体将发生破坏。摩尔-库仑强度准则的表达式为：\tau=c+\sigma\tan\varphi其中，\tau为岩石的抗剪强度，c为岩石的内聚力，\sigma为作用在剪切面上的正应力，\varphi为岩石的内摩擦角。在井壁围岩稳定性分析中，基于极限平衡理论的计算过程如下：首先，确定井壁围岩所受的应力状态，包括地应力、施工荷载等。地应力的计算可根据深部水平构造应力经验公式进行，如\sigma_{H}=\frac{100+0.05h}{100}\sigma_{V}，其中\sigma_{H}为水平构造应力，\sigma_{V}为垂直应力，h为深度。通过现场测量或经验公式计算出地应力后，结合施工过程中的荷载，确定井壁围岩的应力状态。然后，根据摩尔-库仑强度准则，判断井壁围岩是否处于极限平衡状态。以圆形竖井为例，在均匀地应力场中，井壁周边的切向应力\sigma_{\theta}和径向应力\sigma_{r}可通过弹性力学理论计算得到。当\sigma_{\theta}和\sigma_{r}满足摩尔-库仑强度条件时，井壁围岩处于极限平衡状态。若不满足，则需要采取相应的支护措施，提高井壁围岩的强度，使其达到稳定状态。5.1.2弹性力学理论弹性力学理论是研究弹性体在外部荷载作用下的应力、应变和位移分布规律的重要理论。在井壁围岩稳定性分析中，弹性力学理论常用于分析井壁围岩在弹性阶段的力学行为。对于圆形竖井，在均匀地应力场中，井壁围岩的应力分布可通过基尔霍夫公式进行计算。假设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边界，忽略围岩自重的影响，井壁围岩中任一点M（r,\theta）的应力计算公式如下：\sigma_{r}=\frac{p+q}{2}(1-\frac{a^{2}}{r^{2}})+\frac{q-p}{2}(1-\frac{4a^{2}}{r^{2}}+\frac{3a^{4}}{r^{4}})\cos2\theta\sigma_{\theta}=\frac{p+q}{2}(1+\frac{a^{2}}{r^{2}})-\frac{q-p}{2}(1+\frac{3a^{4}}{r^{4}})\cos2\theta\tau_{r\theta}=-\frac{q-p}{2}(1+\frac{2a^{2}}{r^{2}}-\frac{3a^{4}}{r^{4}})\sin2\theta其中，\sigma_{r}为径向应力，\sigma_{\theta}为切向应力，\tau_{r\theta}为剪应力，a为竖井半径，r为计算点到竖井中心的距离，\theta为计算点与水平方向的夹角。当r=a时，即井壁周边的应力为：\sigma_{\theta}=p(3-\lambda)+q(\lambda-1)\sigma_{r}=0\tau_{r\theta}=0其中，\lambda=\frac{q}{p}为侧压力系数。通过弹性力学理论计算得到井壁围岩的应力分布后，可进一步分析井壁围岩的变形情况。根据胡克定律，应力与应变之间存在线性关系，通过应力计算结果可得到井壁围岩的应变分布。进而根据应变分布，计算井壁围岩的位移。在实际工程中，可根据井壁围岩的应力、应变和位移计算结果，判断井壁的稳定性。若井壁周边的应力超过岩石的强度极限，或井壁的变形过大，都可能导致井壁失稳，需要采取相应的支护措施，如增加锚杆、锚索等，提高井壁的承载能力和稳定性。5.2数值模拟方法5.2.1模型建立为深入探究思山岭矿深竖井井壁围岩的稳定性，本研究采用了专业的数值模拟软件FLAC3D进行模拟分析。FLAC3D是一款基于有限差分法的数值模拟软件，能够精确模拟岩土体在复杂荷载和边界条件下的力学行为，在矿山工程、岩土工程等领域得到了广泛应用。在模型建立过程中，合理确定模型尺寸至关重要。根据思山岭矿深竖井的实际工程情况，综合考虑计算精度和计算效率，将模型尺寸设定为长×宽×高=200m×200m×300m。这样的尺寸能够充分涵盖竖井周边影响范围内的岩体，确保模拟结果的准确性。同时，为了减少边界效应的影响，将竖井布置在模型的中心位置。边界条件的设置直接影响模拟结果的可靠性。在本次模拟中，模型的前后、左右和底面均采用固定约束，限制其在相应方向上的位移。这是因为在实际工程中，深部岩体受到周围岩体的约束，其位移受到限制。而模型的顶面则施