基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.744

基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法

秦秀山^,¹^,²^,³, 曹辉¹^,²^,³, 原野¹^,²^,³, 郑志杰¹^,²^,³

1. 北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160

2. 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 100160

3. 金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 100160

Method for Repairing Collapse of Orepass Wall Based on Double-Controlled Tension Cable Bundles

QIN Xiushan^,¹^,²^,³, CAO Hui¹^,²^,³, YUAN Ye¹^,²^,³, ZHENG Zhijie¹^,²^,³

1. BGRIMM Technology Group，Beijing 100160，China

2. National Center for International Joint Research on Green Metal Mining，Beijing 100160，China

3. Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 100160，China

收稿日期: 2018-03-26 修回日期: 2018-08-23 网络出版日期: 2019-01-11

基金资助:

国家重点研发计划课题“金属矿深竖井井壁结构与围岩控制关键技术”（编号：2016YFC0600803）和国家国际科技合作专项“矿山高陡边坡综合监测与防控新技术合作研究”（编号：2015DFR70880）联合资助

Received: 2018-03-26 Revised: 2018-08-23 Online: 2019-01-11

作者简介 About authors

秦秀山（1987-），男，山东临沂人，高级工程师，从事采矿方法与岩石力学等方面的研究工作 , E-mail：qinxiushan@bgrimm.com

摘要

溜井是矿山溜放矿石的重要工程，其结构简单且使用方便，但长期投入使用后矿石会不断冲击和磨损井壁，极易出现井壁垮塌现象。对于大多数矿山，溜井维护和修复存在一定的困难，因此需合理选择安全、高效且可靠的溜井加固技术方案。针对现有支护方法施工时占用溜井时间过长的弊端，提出了采用双控张拉锚索束从井壁外围向井筒内部进行整体加固的技术方案，并阐述了其作用原理。通过建立双控张拉锚索束力学模型，分析了满足安全系数条件下锚索荷载的设计方法。结合现场工程实践和监测数据分析，证明通过双控张拉锚索束能够使井壁出现垮塌的溜井在加固后处于较长时间的稳定状态，并能节省大量工程修复时间，减少对溜井的占用。基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法为安全、高效解决溜井井壁大范围垮塌的修复问题提供了可行途径。

关键词： 双控张拉 ; 锚索束 ; 井壁垮塌 ; 溜井修复 ; 力学模型 ; 安全系数 ; 加固效果

Abstract

The orepass is an important project to slide ore，its structure is simple and convenient to use，but after long-tern use，because the ore constantly impact and wear the orepass wall，it is easy to occur the phenomenon of orepass wall collapses.For most mines，there are some difficulties in the maintenance and repair of chute，so it is necessary to choose a safe，effective and reliable technical scheme for chute reinforcement.Aiming at of the disadvantage of existing support methods that occupying the chute with long construction time，a technical proposal for the integrated reinforcement using double-controlled tension cable bundles from the periphery of ore pass to the inside of it was proposed，and the principle of its action is also described.By establishing the mechanical model of double-controlled tension cable bundles，the design method of cable load that satisfied the safety factor was analyzed.Combined with field engineering practice and monitoring data analysis，it’s proved that the double-controlled tension cable bundles can make the collapsed wall stable for a long time after being reinforced，and can save plenty of repairing time by reducing the occupancy of the ore pass.The method for repairing collapse of ore pass wall based on double-controlled tension cable bundles provides a feasible way to solve the problem of repairing large-scale collapse of the ore pass wall in a safe and efficient way.

Keywords： double-controlled tension ; cable bundles ; collapse of the wall ; orepass repairing ; mechanical model ; safety factor ; reinforcement effect

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本文引用格式

秦秀山, 曹辉, 原野, 郑志杰. 基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(6): 744-749 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.744

QIN Xiushan, CAO Hui, YUAN Ye, ZHENG Zhijie. Method for Repairing Collapse of Orepass Wall Based on Double-Controlled Tension Cable Bundles[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(6): 744-749 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.744

溜井作为金属和非金属矿山重要的主体工程之一，主要起着贮存和溜放采场中所采出矿石和废石的作用^[1]。在溜井使用过程中，由于井壁不断受到矿岩的冲击碰撞，溜井井壁会出现磨损甚至垮塌破坏的现象^[2]。若不及时采取有效治理措施，溜井井壁岩体会继续垮落，极有可能威胁到整个溜井系统、相邻井筒和上部破碎站的安全^[3]，甚至造成人员伤亡和溜井报废等巨大损失。

为确保溜井畅通和矿山正常生产，必须合理选择一套安全、高效且可靠的溜井加固技术方案，防止溜井井壁产生进一步变形破坏，延长溜井的服役年限，从而降低溜井对矿山安全生产的影响^[4]。因此，在进行溜井修复加固之前，应根据溜井井壁的损坏程度，选择合理的支护形式和加固治理方案^[5]，进行及时加固治理和维护，以达到安全可靠、经济合理、质量优良和快速施工的目的。

1 常用溜井修复方法

矿山溜井常用的加固修复方法有2种：一是刚性加固^[6,7,8,9,10]，二是柔性加固^[11,12,13]。

1.1 刚性加固

刚性加固属于以刚克刚的支护方法，主要通过增加井壁强度，增强抵抗矿石、废石冲击和磨损的能力。该方法采用强度高、耐磨损且硬度大的材料抵抗矿石对井壁的冲击和磨损。常用的刚性加固方法包括高强度混凝土加固、钢筋混凝土加固、喷锚支护、钢轨支护、锰钢板支护和料块石支护等^[14,15,16]。

1.2 柔性加固

柔性加固属于以柔克刚的支护方法，主要是选用堆积矿粉或橡胶衬板等柔性材料作为缓冲层，来防止和减轻矿石流对井壁的冲击和磨损^[17]。

现有溜井修复方法存在的共性问题是相关治理工程占用溜井时间过长、施工进度慢，且整个修复治理施工过程中溜井必须完全停用。对于担负矿山主体运矿任务的主溜井等重点工程来说，长时间停用溜井将严重影响整个矿山的正常生产运营。

2 双控张拉锚索束作用原理

基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法的最大优势是大部分工程在溜井井筒外围进行施工，加固修复过程基本不影响溜井的继续使用，修复过程占用溜井的时间少，可最大限度地减少溜井修复工程对整个矿山生产运营的影响。

在溜井井筒外围上部地平面或措施硐室，沿井筒中心方位施工一圈斜向下的钻孔，使钻孔穿过井筒外侧围岩，打通到井筒内部。在平面上沿各个方位均布置有钻孔，在井筒内部沿高度方向也设置有多排孔位，使钻孔群形成多个“漏斗”形态。在钻孔内部埋设锚索束，钻孔两端分别安装钢板或砌筑混凝土锚墩。采用锚索拉伸设备从井筒岩壁两端固定锚索束并对其张拉形成预紧力，组成双控张拉锚索束结构。该方法对溜井井筒的加固修复作用原理如下：

（1）双控张拉锚索束在井壁外围岩体内部形成有效预紧力，对溜井侧壁有一定的水平和上向支撑作用，使原悬空井壁所受的拉应力转变为压应力，在很大程度上降低井壁片垮风险。

（2）双控张拉锚索束穿过影响井筒的断裂和断层破碎带，使断层两侧围岩之间形成压应力区，增强断层带岩体的抗剪性能^[18]，从而降低井壁岩体沿构造弱面滑动的风险。

（3）通过在井筒周边多个方位和不同高程上均布置双控张拉锚索束，使整个溜井的应力分布更加分散，消除溜井井壁的应力集中现象，力学分布合理，安全性能提高。

3 双控张拉锚索束力学模型

将双控张拉锚索束加固溜井井壁围岩的物理结构进行适当简化后，建立溜井上部推测不稳定岩体范围的力学分析模型，如图1所示。

图1

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图1 稳定性分析力学模型

Fig.1 Mechanical model for stability analysis

T代表锚索拉力;G代表岩体自重

根据摩尔—库仑准则，推导出不稳定岩体加固后的安全系数计算公式。锚索的抗滑阻力可表示为

F_{抗} = (G_{2} + \overset{n}{\sum_{i = 1}} T_{2 i}) t a n α + c \times l \times b + \overset{n}{\sum_{i = 1}} T_{1 i}

（1）

式中： $F_{抗}$ 为抗滑阻力（kN）； $G_{2}$ 为岩体自重垂直潜在滑动面方向的分量（kN）； $T_{2}$ 为预应力锚索拉力垂直潜在滑动面方向的分量（kN）； $α$ 为岩体内摩擦角（°）； $c$ 为岩体黏聚力（kPa）； $l$ 为潜在滑动面长度（m）； $b$ 为潜在滑动面宽度（m）； $T_{1}$ 为预应力锚索拉力沿潜在滑动面方向的分量（kN）。

锚索的下滑力可表示为

F_{下} = G_{1}

（2）

式中： $G_{1}$ 为岩体自重沿潜在滑动面方向的分量（kN）。加固范围内岩体安全系数，即抗滑阻力与下滑力的比值：

F_{s} = \frac{F_{抗}}{F_{下}}

（3）

双控张拉锚索束支护技术的关键是确定双控锚索的设计载荷，然后根据设计荷载计算加固后的溜井稳定安全系数。

4 工程应用实例

为了验证双控张拉锚索束对溜井井壁垮塌修复的加固效果，在我国某铜钼矿山主溜井实施了加固治理工程。

4.1 溜井概况

该铜钼矿山主溜井为主要供矿点之一，日破碎输送矿石量约为1.5 $\times 10^{4}$ t。在溜井底部出矿过程中发现有大块岩石，考虑可能是溜井已经损坏，为此利用三维激光扫描仪对该溜井实际形态进行了扫描分析，发现溜井井壁出现局部垮塌，如图2所示。

图2

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图2 溜井形态三维激光扫描结果

Fig.2 Three-dimensional laser scanning results of orepass

溜井段所处地层岩性为含石榴籽石硅灰石大理岩，呈灰白、深灰色，细—中粒变晶结构，块状构造，中等风化，岩石较坚硬，节理和裂隙发育，岩体破碎。岩芯采取率为79.5%，岩石质量指标（RQD）为30.6%，岩体基本质量等级为Ⅲ类。

根据工程地质报告^[19]和《工程岩体分级标准》（GB 50218-94）^[20]，确定出溜井井壁岩体力学参数如表1所示。

表1 溜井井壁岩体力学参数

Table 1 Mechanical parameters of rock mass of

参数	数值	参数	数值
内摩擦角φ/(º)	39	弹性模量E/GPa	9
黏聚力c/MPa	0.7	重力密度γ/(kN·m^-3)	32
抗拉强度s_t/MPa	0.7	泊松比μ	0.22

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3、4号断层破碎带距离溜井较近，破碎带充填物多为淡黄色土状物质，井壁岩体受断层影响，裂隙和层理十分发育，如图3所示。

溜井在井口以下有3 m高的钢筋混凝土衬砌，其余均为裸露岩壁。由于围岩长时间处于裸露环境，再加上破碎机运行时所产生的强烈振动和碎矿后矿石岩块对井壁的冲击、磨损，井壁围岩发生松动变形，有小块石掉落现象，从而引起局部坍塌，甚至有进一步发展的可能。

若溜井井壁岩体继续垮落，极有可能造成基础不均匀沉降和局部破坏，影响整个溜井的使用。常规的支护修复方法无法有效控制断层对井壁的影响，且修复过程需在井筒内部占用大量时间，可能会造成人员伤亡和生产滞后。

图3

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图3 溜井围岩地质剖面图

Fig.3 Geological profile of rock mass near the orepass

4.2 加固治理实施

根据溜井的工程地质特性、井壁破坏现状，参考工程规范，采用地表双控张拉锚索束与井壁锚喷联合支护技术相结合的方法对该溜井进行综合治理。当沿井筒周边布置20根锚索束，各锚索束的拉力值均张拉至420 kN时，将相关参数代入式（3）计算可得，锚索加固区的井筒安全系数为2.08，满足溜井稳定性要求。具体施工方案如下：

（1）从地面斜向下往井筒中心方向布置锚索束，使锚索从地表穿到井筒内部3个不同标高（料位计-7，-14，-21 m），每个标高上间隔布置6~7根锚索束，共布置锚索束3排20个钻孔。

（2）每孔安装1束6 mm×15.24 mm钢绞线，全部钻孔施工完毕并安装钢绞线后，即可进行井筒内的分项工程施工。

（3）井筒内壁进行锚网喷支护，采用砂浆锚杆、钢筋网和喷射钢纤维混凝土多重措施，保障井内施工作业安全并维护井筒边壁稳定。同时，将井筒内锚索端部通过锚具和锚板进行固定。

（4）待井筒内锚索端部全部固定施工完成后，在地面砌筑锚墩并对锚索按照设计安全系数要求施加预紧力。当施加预紧力之后，孔内全长砂浆锚固。

双控锚索的平面布置图和典型纵剖面图（C-C剖面）分别如图4和图5所示。

图4

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图4 双控锚索平面布置图

Fig.4 Plane layout diagram of double-control anchor cable

采用该方法可在井筒外围完成钻孔施工（占加固工程时间最长）和锚索安装等工序，施工期间不影响溜井的正常使用，既保证了工程质量，加快了施工进度，又降低了施工成本，并提高了施工过程的安全性。

4.3 治理效果分析

本次采用高精度振弦式锚索测力计（图6）进行持久应力监测，从而评判主溜井加固修复后使用过程中加固结构的稳定状态。

本次采用的锚索测力计规格为1 500 kN级，该锚索测力计采用高强度空芯钢件作为弹性元件，可承受较大的集中荷载。采用3根均匀分布于弹性元件周围的钢弦作为敏感元件，以消除偏载的影响。本次主溜井加固治理工程安装锚索测力计共2套，分别位于图4中A2和E3锚索孔口处。

图5

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图5 双控锚索纵剖面图

Fig.5 Longitudinal profile of double-control anchor cable

图6

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图6 锚索测力计监测结构示意图

Fig.6 Schematic diagram of monitoring structure for anchor cable dynamometer

通过对锚索测力传感器进行为期近6个月的持续监测，获得的监测数据曲线如图7所示。

由图7可见，施工结束初期有小范围锚索应力松弛，之后锚索测力计读数基本稳定在450~470 kN水平，变化幅度不大，且井筒内壁均未出现片帮破坏，变形得到有效控制，溜井整体运行稳定性良好。

图7

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图7 锚索束拉力长期监测曲线

Fig.7 Long-term monitoring curve of anchor cable

tension

5 结论

通过基于双控张拉锚索束的溜井井壁垮塌修复方法的理论分析和现场工程实践，得到如下结论：

（1）在溜井修复治理之前，需对溜井现状结构的整体稳定性及潜在危险性进行综合评估，进而确定合理的加固治理方案。

（2）在井筒周边布置双控张拉锚索束对溜井井壁进行修复，能够使溜井井筒得到有效加固，提高溜井稳定性安全系数。

（3）通过工程实例检验并对锚索应力进行持续监测可知，锚索测力计读数基本稳定，溜井井壁变形得到有效控制，溜井运行整体稳定性良好。

（4）基于双控张拉锚索束的溜井井壁修复是处理内壁跨冒型溜井的一种安全、高效的方法。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

王青，任凤玉 .

采矿学

［M］.北京：冶金工业出版社，2011.