編者按 隨著淺部資源開采趨近枯竭，資源開發(fā)的步伐不斷向地球深部邁進(jìn)，深豎井是地球深部礦產(chǎn)資源開發(fā)的“咽喉要道”。正值“十四五”收官、“十五五”開局以及《金屬礦山》創(chuàng)刊60周年之際，我刊編委、東北大學(xué)趙興東教授受邀撰文《2 005 m超深豎井超前釋壓建造工藝》。該文針對傳統(tǒng)豎井“一掘一砌”施工工藝難以保障超深井筒安全高質(zhì)建造要求，導(dǎo)致施工過程中產(chǎn)生地壓災(zāi)害難防難控的問題，以三山島金礦2 005 m深副井（亞洲第一、世界第五深豎井）工程建設(shè)為依托，提出了超深豎井超前序次釋壓建造理論與施工工藝，通過調(diào)整襯砌混凝土井壁與井筒掘進(jìn)工作面之間的合理距離，采用釋壓爆破、釋能支護(hù)和調(diào)整襯砌時間等技術(shù)，從時間和空間維度充分釋放積聚在井筒圍巖內(nèi)的高應(yīng)力，可滿足超深井筒安全穩(wěn)定、高質(zhì)建造的要求，保障超深井筒的長期穩(wěn)定。

成果精要

世界超深豎井建設(shè)排名中前4座均屬于國外礦山，分別為：加拿大安大略省基德礦（Kidd Mine）豎井建設(shè)深度為3 014 m，南非Gold Fields公司South Deep金礦豎井建設(shè)深度為2 998 m，美國 Hecla Limited公司Lucky Friday礦山豎井建設(shè)深度為2 995 m，美國亞利桑那州Resolution Copper項目豎井建設(shè)深度為2 117 m，國外超深豎井建設(shè)主要分布于南非、加拿大、美國等國家。

目前國內(nèi)金屬礦深豎井建設(shè)深度已超過1 500 m，劃時代進(jìn)入2 000 m以深。其中，云南會澤鉛鋅礦豎井（1 526 m）、山東新城金礦新主井（1 527 m）、紗嶺金礦主井（1 551.8 m）均已超過1 500 m。

山東黃金集團(tuán)三山島金礦副井建造深度達(dá)到2 005 m，作為亞洲第一、世界第五深豎井，三山島金礦后續(xù)將再建2條2 000 m以深豎井，形成2 000 m以深超深豎井群示范區(qū)。

與國外3 000 m豎井建設(shè)深度相比，我國已建成的豎井深度已達(dá)到2 005 m，二者仍存在較大差距。當(dāng)前我國正處于超深豎井建設(shè)的初步階段，由于深部地層應(yīng)力、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不確定性因素、未知因素更多、更復(fù)雜，使得建井工程條件發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致建井過程中必然面臨一系列工程問題，隨之而來的安全風(fēng)險程度顯著提高。與淺部豎井所處工程環(huán)境不同，超深豎井建造處于“三高一擾動”工程環(huán)境，導(dǎo)致井筒圍巖出現(xiàn)動態(tài)、非連續(xù)、非線性力學(xué)破壞行為，例如巖石在高應(yīng)力作用下發(fā)生巖爆等動力破壞。

我國金屬礦豎井建設(shè)通常采用“一掘一砌”的短段掘砌正規(guī)循環(huán)作業(yè)，此作業(yè)方案仍沿用于超深豎井建造時，常通過增加混凝土襯砌井壁厚度、提高混凝土強(qiáng)度等級等方式保障超深井筒穩(wěn)定，但仍會出現(xiàn)井壁破壞、井筒失穩(wěn)等工程問題。由此看出，亟需改進(jìn)、優(yōu)化傳統(tǒng)豎井“一掘一砌”短段掘砌理念與施工工藝，以保障超深豎井的長期穩(wěn)定。

在此背景下，東北大學(xué)趙興東教授團(tuán)隊以三山島金礦2 005 m深副井建設(shè)為工程背景，通過對超深井筒開挖圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)及影響范圍進(jìn)行分析，采用超前序次釋壓建造理論，調(diào)整襯砌混凝土井壁與井筒掘進(jìn)工作面間距離，以及應(yīng)用釋壓爆破、釋能支護(hù)技術(shù)，從時間維度和空間維度調(diào)控井筒圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，提出了超深豎井超前序次釋壓建造理論與施工工藝

三山島金礦2 005 m深副井井筒橫斷面

1 超前序次釋壓建造理論

豎井開挖后，井筒圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，圍巖應(yīng)力狀態(tài)受到多種因素影響，不僅與井筒橫斷面形狀、開挖前巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)以及巖體物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工工藝等因素相關(guān)。傳統(tǒng)豎井建造多采用“一掘一砌”施工方法，開挖過程中因井筒圍巖存在空間效應(yīng)，應(yīng)力與位移未釋放完全便進(jìn)行混凝土襯砌支護(hù)，因此混凝土襯砌結(jié)構(gòu)同時承受圍巖已釋放的壓力與后續(xù)持續(xù)釋放的壓力增量。這種“非完全釋放”的受力狀態(tài)，使得混凝土襯砌結(jié)構(gòu)早期易出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力集中，尤其在井壁接縫處或地質(zhì)突變段破壞更為顯著。

超前序次釋壓建造理論是指在深豎井建造過程中，通過序次提高襯砌混凝土井壁與井筒掘進(jìn)工作面間的距離，采用釋壓爆破、釋能支護(hù)等方法主動調(diào)控未襯砌段井筒圍巖內(nèi)部及深部地層應(yīng)力分布狀態(tài)，小梯段（2.0 m）出渣增加圍巖壓力釋放時間，弱化巖爆風(fēng)險，使支護(hù)結(jié)構(gòu)承載因圍巖應(yīng)力重分布產(chǎn)生的形變壓力，并確定合理支護(hù)時機(jī)與支護(hù)方式，能夠采用低強(qiáng)度等級混凝土襯砌井筒，實現(xiàn)深部井筒慢施工、緩釋壓，井壁達(dá)到“免承壓”效果。該理論摒棄了傳統(tǒng)豎井“一掘一砌”的施工工藝，以及依賴襯砌混凝土強(qiáng)度及襯砌厚度支護(hù)井筒的理念。采用超前序次釋壓建造理論對三山島金礦2 005 m深副井建造工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

超前釋壓防控技術(shù)

2 超前釋壓防控技術(shù)

2.1 壁后釋壓爆破

在2 005 m深豎井掘進(jìn)過程中，采用壁后釋壓爆破技術(shù)主動調(diào)控井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)，通過鉆孔裝藥爆破產(chǎn)生的沖擊波，使其在井筒圍巖內(nèi)產(chǎn)生切割裂縫，并使巖體裂隙萌生、擴(kuò)展，在鉆孔周圍形成釋壓帶，為井筒圍巖壓力提供釋放補(bǔ)償空間，達(dá)到改善井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)、減緩或轉(zhuǎn)移高應(yīng)力集中、弱化巖爆風(fēng)險的目的。

深部地層應(yīng)力分布研究反映出：在井筒最小水平主應(yīng)力方向產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此現(xiàn)場實施過程中在井筒圍巖最小水平主應(yīng)力方向施工鉆孔，裝藥爆破形成釋壓槽。結(jié)合現(xiàn)場施工條件，確定釋壓槽寬度為0.6 m，距井筒圍巖表面4 m

（a）應(yīng)力分布

（b）釋壓槽設(shè)計

井筒圍巖應(yīng)力分布及釋壓槽設(shè)計

通過現(xiàn)場實施釋壓爆破后形成的破碎區(qū)邊界較開挖面更遠(yuǎn)、更加深入圍巖，且產(chǎn)生的應(yīng)力峰值較小、應(yīng)力峰值位置與開挖面相距更遠(yuǎn)，應(yīng)力分布曲線也較為平緩，能夠改善圍巖應(yīng)力集中條件，從而降低開挖面附近圍巖發(fā)生高應(yīng)力沖擊破壞（如巖爆）的可能性。從機(jī)制上講，釋壓爆破過程是爆破裂隙和爆破振動2個因子單獨或聯(lián)合作用，不但改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài)，也改變了巖體的強(qiáng)度和變形能力。

釋壓爆破井筒圍巖前后對比

釋壓爆破井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)演化

2.2 超長段鉆孔釋壓爆破

超前鉆孔釋壓技術(shù)作為一種主動調(diào)控應(yīng)力的方法在工程實踐中被廣泛應(yīng)用，通過在井筒掘進(jìn)工作面實施預(yù)鉆孔釋壓，能夠有效降低高地應(yīng)力引發(fā)的工程風(fēng)險，從而提高井筒施工的安全性?，F(xiàn)場實施時，采用超長段（段高≥100 m）徑向外傾斜角度鉆孔探測高傾斜角度微裂隙高承壓熱水，同時利用超長段探水孔作為釋壓孔，主動調(diào)控井筒掘進(jìn)工作面深部地層應(yīng)力場，優(yōu)化應(yīng)力分布，降低后續(xù)施工過程中巖爆發(fā)生概率。

超長段探水孔設(shè)計（單位：m）

超長段鉆孔釋壓作為高地應(yīng)力深部地下工程中緩解地壓災(zāi)害的有效釋壓手段，通過在井筒掘進(jìn)工作面深部地層高應(yīng)力巖體中布置合理的超長段釋壓鉆孔，改善深部地層應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)深部地層巖體變形達(dá)到極限時，巖體失去穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部區(qū)域發(fā)生破裂，從而形成破裂區(qū)。當(dāng)多個破裂區(qū)相互連接并貫通時，則形成連續(xù)的釋壓帶。該方法不僅能降低鉆孔周圍巖體的應(yīng)力集中程度，還會使應(yīng)力峰值向地層巖體深部轉(zhuǎn)移。

超長段鉆孔釋壓機(jī)理

基于釋壓爆破原理，利用超長段探水孔釋壓的同時進(jìn)行超長段鉆孔釋壓爆破。由于探水孔與井壁的徑向傾角僅4.9°，鉆孔淺部與井壁的直線距離較近，為防止裝藥量過大對井壁造成損傷，導(dǎo)致豎井掘進(jìn)爆破時造成超挖，因此采取超長段鉆孔淺部少裝藥預(yù)裂爆破成縫、深部增大裝藥量的方式進(jìn)行超長段鉆孔釋壓爆破。

2.3 釋能支護(hù)

單一混凝土襯砌支護(hù)無法完全實現(xiàn)對井筒圍巖壓力的有效控制。釋能支護(hù)設(shè)計方法包括理論法、工程類比法和數(shù)值模擬法，以三山島金礦副井-1 400~-1 800 m井筒圍巖為例，采用基于Q、RMR等巖體質(zhì)量等級劃分的井筒圍巖支護(hù)設(shè)計方法，三山島金礦副井-1 400~-1 800 m井筒圍巖巖體質(zhì)量等級為Ⅱ~Ⅲ級，巖體質(zhì)量屬于一般水平。

三山島金礦副井-1 400~-1 800 m井筒圍巖釋能支護(hù)結(jié)構(gòu)采用釋能錨桿＋金屬網(wǎng)的支護(hù)形式。其中，錨桿類型為22 mm釋能錨桿，該錨桿分別由錨固（阻尼）模塊、變形模塊、攪拌模塊和錨固段4個部分組成，靜止拉拔力大于190 kN，在具有較高錨固力的同時又能夠在動力沖擊作用下在錨固巖體內(nèi)產(chǎn)生整體滑移，釋放積聚在井筒圍巖內(nèi)的能力，保持井筒圍巖穩(wěn)定。設(shè)計錨桿長度3.0 m，間排距1.5 m×1.5 m，采用樹脂進(jìn)行錨固，金屬網(wǎng)采用6.0 mm圓鋼，網(wǎng)度為100 mm×100 mm，雙筋條由2條平行的8 mm鋼筋焊接而成，間距為80 mm，長3 m。

研究反映出：施加釋能支護(hù)后，井筒圍巖破壞深度減少49%~62%；3 m長度釋能錨桿可實現(xiàn)錨固井筒圍巖破壞區(qū)域、穩(wěn)固井筒圍巖，錨桿軸力為282 MPa，遠(yuǎn)低于錨桿本身的屈服強(qiáng)度（錨桿鋼型為HRB400）。因此，釋能支護(hù)能夠主動調(diào)控圍巖應(yīng)力分布，提高圍巖塑性區(qū)穩(wěn)定性，阻止圍巖進(jìn)一步破壞，保證井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為超前序次釋壓建造施工提供安全保障。

錨桿軸力分布

2.4 襯砌混凝土支護(hù)時機(jī)

根據(jù)超前序次釋壓建造理論，分別采用基于RMR巖體質(zhì)量等級劃分的巖體穩(wěn)定性分析法與收斂約束法確定合適支護(hù)時機(jī)，合理提高混凝土襯砌井壁與井筒掘進(jìn)工作面間的距離，建立最優(yōu)井筒支護(hù)系統(tǒng)。

??采用RMR巖體穩(wěn)定性分析圖表法對三山島金礦2 005 m深副井不同深度圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該礦副井-1 400~-1 800 m井筒基巖段最小無支護(hù)自穩(wěn)跨度中最大值為3.2 m，最小無支護(hù)自穩(wěn)時間中最小值為350 h，而井筒每循環(huán)掘進(jìn)深度為4 m，每次循環(huán)掘進(jìn)用時約48 h（根據(jù)出矸吊桶容積決定）。由此可知，目前采用的施工工藝并不能完全滿足井筒圍巖穩(wěn)定性要求，施工過程存在安全風(fēng)險，因此在井筒掘進(jìn)施工過程中需增加釋能支護(hù)，以穩(wěn)定可控的方式調(diào)整圍巖壓力，調(diào)控圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

基于RMR巖體質(zhì)量等級劃分的巖體穩(wěn)定性分析

???收斂約束法能夠用于對井筒深部高應(yīng)力巖體的穩(wěn)定性控制，通過對井筒開挖后圍巖位移與支護(hù)抗力的平衡關(guān)系進(jìn)行定量化分析，確定井筒支護(hù)時機(jī)與支護(hù)參數(shù)。研究表明：4 m掘進(jìn)施工循環(huán)高度并不能滿足井筒圍巖壓力調(diào)控的空間要求，井筒圍巖釋放應(yīng)力的最佳空間為3個掘進(jìn)施工循環(huán)高度，即襯砌混凝土井壁到井筒工作面間未襯砌混凝土段的距離為12 m，在未襯砌混凝土井壁段采用釋壓爆破和釋能支護(hù)主動調(diào)控井筒圍巖應(yīng)力，保障井筒圍巖的長期穩(wěn)定，使襯砌混凝土井壁達(dá)到“免承壓”效果。

3 井筒施工工藝優(yōu)化調(diào)整

綜合超前序次釋壓建造理論及超前釋壓防控技術(shù)的分析，為保證井筒圍巖壓力得到有效釋放，使井壁處于“免承壓”或“緩承壓”狀態(tài)，以達(dá)到超前序次釋壓建造的目的，對三山島金礦副井建造施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整

三山島金礦副井深部掘砌施工流程

具體工藝環(huán)節(jié)：自上一施工循環(huán)結(jié)束后，從下一施工循環(huán)開始，爆破掘進(jìn)工作面距混凝土井壁高度為5 m，其中井壁以下4 m為釋能支護(hù)段，留有1 m為無支護(hù)裸露圍巖段。爆破掘進(jìn)工作面炮孔深度為7 m，爆破完成后，爆堆高度與混凝土井壁間距為2 m，由此形成高度為12 m的井筒圍巖壓力調(diào)控空間。隨后進(jìn)行井筒出矸、掘進(jìn)工作面找平等工作，當(dāng)出矸深度達(dá)到工作面距混凝土井壁高度4 m時，下移井壁模板澆筑混凝土，待井壁澆筑完成后繼續(xù)出矸，并進(jìn)行釋能支護(hù)，每次出矸高度為2 m，同時對此2 m段高圍巖進(jìn)行釋能支護(hù)。至此在該施工循環(huán)中出矸深度共為8 m，釋能支護(hù)高度為8 m，分4次進(jìn)行，直至形成下一施工循環(huán)。

綜合分析：采用RMR巖體質(zhì)量等級得出井筒圍巖最小無支護(hù)自穩(wěn)跨度為2.1~3.2 m、最小無支護(hù)自穩(wěn)時間大于350 h，釋能支護(hù)采取高度2 m、錨桿長度3 m、間排距1.5 m×1.5 m的支護(hù)方案；采用超前序次釋壓建造工藝，將襯砌混凝土井壁與井筒工作面距離提高到12 m，井筒圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯消減，圍巖破壞深度減少49%~62%。

學(xué)者風(fēng)采

趙興東

教授、博士研究生導(dǎo)師

東北大學(xué)

入選國家高層次領(lǐng)軍人才，國務(wù)院政府特殊津貼專家，深地國家科技重大專項項目負(fù)責(zé)人。擔(dān)任中國有色金屬學(xué)會深地礦建與資源開發(fā)專委會主任委員，深部金屬礦采動地壓災(zāi)害防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室主任。寶鋼優(yōu)秀教師、遼寧省教學(xué)名師、《金屬礦山》編委。

圍繞深部金屬礦床開采研究，從深部金屬礦床開發(fā)的全生命周期出發(fā)，構(gòu)建了礦山三維工程災(zāi)害分析模型，創(chuàng)新了深部采場結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及深部采動巖體失穩(wěn)應(yīng)變判據(jù)，提出了下向梯段式采場落礦方法；創(chuàng)立了超前動態(tài)序次釋壓調(diào)控理論，研發(fā)了抗巖爆釋能支護(hù)技術(shù)，完成了多條1 500 m以深超深豎井建設(shè)項目研究，形成了旨在解決深部金屬礦連續(xù)安全高效智能化開采的系列理論和關(guān)鍵技術(shù)，研究成果在40余座礦山應(yīng)用，成功解決了紅透山銅礦等深部金屬礦山采動地壓災(zāi)害防控難題，多項科研成果被評價為國際領(lǐng)先水平。主持深地國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金重點項目等國家級項目7項，主持橫向科研課題近百項。出版專著和教材4部，發(fā)表論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利30余項，主持制定行業(yè)和團(tuán)隊標(biāo)準(zhǔn)4項，參編《采礦手冊》《中國大百科全書?礦冶卷》。研究成果獲遼寧省科學(xué)技術(shù)獎一等獎等省部級科技獎勵10余項。

成果來源

趙興東，武桐，況丹陽，王昌，趙春璽，李暢，李文光，侯成錄.2 005 m超深豎井超前釋壓建造工藝[J/OL].金屬礦山,1-22[2025-12-11].

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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