亚洲第一深竖井|赵兴东教授：2 005 m超深竖井超前释压建造工艺

编者按 随着浅部资源开采趋近枯竭，资源开发的步伐不断向地球深部迈进，深竖井是地球深部矿产资源开发的“咽喉要道”。正值“十四五”收官、“十五五”开局以及《金属矿山》创刊60周年之际，我刊编委、东北大学赵兴东教授受邀撰文《2 005 m超深竖井超前释压建造工艺》。该文针对传统竖井“一掘一砌”施工工艺难以保障超深井筒安全高质建造要求，导致施工过程中产生地压灾害难防难控的问题，以三山岛金矿2 005 m深副井（亚洲第一、世界第五深竖井）工程建设为依托，提出了超深竖井超前序次释压建造理论与施工工艺，通过调整衬砌混凝土井壁与井筒掘进工作面之间的合理距离，采用释压爆破、释能支护和调整衬砌时间等技术，从时间和空间维度充分释放积聚在井筒围岩内的高应力，可满足超深井筒安全稳定、高质建造的要求，保障超深井筒的长期稳定。

成果精要

世界超深竖井建设排名中前4座均属于国外矿山，分别为：加拿大安大略省基德矿（Kidd Mine）竖井建设深度为3 014 m，南非Gold Fields公司South Deep金矿竖井建设深度为2 998 m，美国 Hecla Limited公司Lucky Friday矿山竖井建设深度为2 995 m，美国亚利桑那州Resolution Copper项目竖井建设深度为2 117 m，国外超深竖井建设主要分布于南非、加拿大、美国等国家。

目前国内金属矿深竖井建设深度已超过1 500 m，划时代进入2 000 m以深。其中，云南会泽铅锌矿竖井（1 526 m）、山东新城金矿新主井（1 527 m）、纱岭金矿主井（1 551.8 m）均已超过1 500 m。

山东黄金集团三山岛金矿副井建造深度达到2 005 m，作为亚洲第一、世界第五深竖井，三山岛金矿后续将再建2条2 000 m以深竖井，形成2 000 m以深超深竖井群示范区。

与国外3 000 m竖井建设深度相比，我国已建成的竖井深度已达到2 005 m，二者仍存在较大差距。当前我国正处于超深竖井建设的初步阶段，由于深部地层应力、地质条件的复杂性，不确定性因素、未知因素更多、更复杂，使得建井工程条件发生显著变化，导致建井过程中必然面临一系列工程问题，随之而来的安全风险程度显著提高。与浅部竖井所处工程环境不同，超深竖井建造处于“三高一扰动”工程环境，导致井筒围岩出现动态、非连续、非线性力学破坏行为，例如岩石在高应力作用下发生岩爆等动力破坏。

我国金属矿竖井建设通常采用“一掘一砌”的短段掘砌正规循环作业，此作业方案仍沿用于超深竖井建造时，常通过增加混凝土衬砌井壁厚度、提高混凝土强度等级等方式保障超深井筒稳定，但仍会出现井壁破坏、井筒失稳等工程问题。由此看出，亟需改进、优化传统竖井“一掘一砌”短段掘砌理念与施工工艺，以保障超深竖井的长期稳定。

在此背景下，东北大学赵兴东教授团队以三山岛金矿2 005 m深副井建设为工程背景，通过对超深井筒开挖围岩塑性区分布状态及影响范围进行分析，采用超前序次释压建造理论，调整衬砌混凝土井壁与井筒掘进工作面间距离，以及应用释压爆破、释能支护技术，从时间维度和空间维度调控井筒围岩应力分布状态，提出了超深竖井超前序次释压建造理论与施工工艺

三山岛金矿2 005 m深副井井筒横断面

1 超前序次释压建造理论

竖井开挖后，井筒围岩应力发生重分布，围岩应力状态受到多种因素影响，不仅与井筒横断面形状、开挖前岩体的初始应力状态以及岩体物理力学性质有关，还与井筒支护结构、施工工艺等因素相关。传统竖井建造多采用“一掘一砌”施工方法，开挖过程中因井筒围岩存在空间效应，应力与位移未释放完全便进行混凝土衬砌支护，因此混凝土衬砌结构同时承受围岩已释放的压力与后续持续释放的压力增量。这种“非完全释放”的受力状态，使得混凝土衬砌结构早期易出现环向拉应力集中，尤其在井壁接缝处或地质突变段破坏更为显著。

超前序次释压建造理论是指在深竖井建造过程中，通过序次提高衬砌混凝土井壁与井筒掘进工作面间的距离，采用释压爆破、释能支护等方法主动调控未衬砌段井筒围岩内部及深部地层应力分布状态，小梯段（2.0 m）出渣增加围岩压力释放时间，弱化岩爆风险，使支护结构承载因围岩应力重分布产生的形变压力，并确定合理支护时机与支护方式，能够采用低强度等级混凝土衬砌井筒，实现深部井筒慢施工、缓释压，井壁达到“免承压”效果。该理论摒弃了传统竖井“一掘一砌”的施工工艺，以及依赖衬砌混凝土强度及衬砌厚度支护井筒的理念。采用超前序次释压建造理论对三山岛金矿2 005 m深副井建造工艺进行改进优化。

超前释压防控技术

2 超前释压防控技术

2.1 壁后释压爆破

在2 005 m深竖井掘进过程中，采用壁后释压爆破技术主动调控井筒围岩应力状态，通过钻孔装药爆破产生的冲击波，使其在井筒围岩内产生切割裂缝，并使岩体裂隙萌生、扩展，在钻孔周围形成释压带，为井筒围岩压力提供释放补偿空间，达到改善井筒围岩应力状态、减缓或转移高应力集中、弱化岩爆风险的目的。

深部地层应力分布研究反映出：在井筒最小水平主应力方向产生应力集中，因此现场实施过程中在井筒围岩最小水平主应力方向施工钻孔，装药爆破形成释压槽。结合现场施工条件，确定释压槽宽度为0.6 m，距井筒围岩表面4 m

（a）应力分布

（b）释压槽设计

井筒围岩应力分布及释压槽设计

通过现场实施释压爆破后形成的破碎区边界较开挖面更远、更加深入围岩，且产生的应力峰值较小、应力峰值位置与开挖面相距更远，应力分布曲线也较为平缓，能够改善围岩应力集中条件，从而降低开挖面附近围岩发生高应力冲击破坏（如岩爆）的可能性。从机制上讲，释压爆破过程是爆破裂隙和爆破振动2个因子单独或联合作用，不但改变了岩体的应力状态，也改变了岩体的强度和变形能力。

释压爆破井筒围岩前后对比

释压爆破井筒围岩应力状态演化

2.2 超长段钻孔释压爆破

超前钻孔释压技术作为一种主动调控应力的方法在工程实践中被广泛应用，通过在井筒掘进工作面实施预钻孔释压，能够有效降低高地应力引发的工程风险，从而提高井筒施工的安全性。现场实施时，采用超长段（段高≥100 m）径向外倾斜角度钻孔探测高倾斜角度微裂隙高承压热水，同时利用超长段探水孔作为释压孔，主动调控井筒掘进工作面深部地层应力场，优化应力分布，降低后续施工过程中岩爆发生概率。

超长段探水孔设计（单位：m）

超长段钻孔释压作为高地应力深部地下工程中缓解地压灾害的有效释压手段，通过在井筒掘进工作面深部地层高应力岩体中布置合理的超长段释压钻孔，改善深部地层应力分布状态。当深部地层岩体变形达到极限时，岩体失去稳定状态，内部区域发生破裂，从而形成破裂区。当多个破裂区相互连接并贯通时，则形成连续的释压带。该方法不仅能降低钻孔周围岩体的应力集中程度，还会使应力峰值向地层岩体深部转移。

超长段钻孔释压机理

基于释压爆破原理，利用超长段探水孔释压的同时进行超长段钻孔释压爆破。由于探水孔与井壁的径向倾角仅4.9°，钻孔浅部与井壁的直线距离较近，为防止装药量过大对井壁造成损伤，导致竖井掘进爆破时造成超挖，因此采取超长段钻孔浅部少装药预裂爆破成缝、深部增大装药量的方式进行超长段钻孔释压爆破。

2.3 释能支护

单一混凝土衬砌支护无法完全实现对井筒围岩压力的有效控制。释能支护设计方法包括理论法、工程类比法和数值模拟法，以三山岛金矿副井-1 400~-1 800 m井筒围岩为例，采用基于Q、RMR等岩体质量等级划分的井筒围岩支护设计方法，三山岛金矿副井-1 400~-1 800 m井筒围岩岩体质量等级为Ⅱ~Ⅲ级，岩体质量属于一般水平。

三山岛金矿副井-1 400~-1 800 m井筒围岩释能支护结构采用释能锚杆＋金属网的支护形式。其中，锚杆类型为22 mm释能锚杆，该锚杆分别由锚固（阻尼）模块、变形模块、搅拌模块和锚固段4个部分组成，静止拉拔力大于190 kN，在具有较高锚固力的同时又能够在动力冲击作用下在锚固岩体内产生整体滑移，释放积聚在井筒围岩内的能力，保持井筒围岩稳定。设计锚杆长度3.0 m，间排距1.5 m×1.5 m，采用树脂进行锚固，金属网采用6.0 mm圆钢，网度为100 mm×100 mm，双筋条由2条平行的8 mm钢筋焊接而成，间距为80 mm，长3 m。

研究反映出：施加释能支护后，井筒围岩破坏深度减少49%~62%；3 m长度释能锚杆可实现锚固井筒围岩破坏区域、稳固井筒围岩，锚杆轴力为282 MPa，远低于锚杆本身的屈服强度（锚杆钢型为HRB400）。因此，释能支护能够主动调控围岩应力分布，提高围岩塑性区稳定性，阻止围岩进一步破坏，保证井壁结构稳定，为超前序次释压建造施工提供安全保障。

锚杆轴力分布

2.4 衬砌混凝土支护时机

根据超前序次释压建造理论，分别采用基于RMR岩体质量等级划分的岩体稳定性分析法与收敛约束法确定合适支护时机，合理提高混凝土衬砌井壁与井筒掘进工作面间的距离，建立最优井筒支护系统。

»»采用RMR岩体稳定性分析图表法对三山岛金矿2 005 m深副井不同深度围岩稳定性进行分析。该矿副井-1 400~-1 800 m井筒基岩段最小无支护自稳跨度中最大值为3.2 m，最小无支护自稳时间中最小值为350 h，而井筒每循环掘进深度为4 m，每次循环掘进用时约48 h（根据出矸吊桶容积决定）。由此可知，目前采用的施工工艺并不能完全满足井筒围岩稳定性要求，施工过程存在安全风险，因此在井筒掘进施工过程中需增加释能支护，以稳定可控的方式调整围岩压力，调控围岩稳定状态。

基于RMR岩体质量等级划分的岩体稳定性分析

»»»收敛约束法能够用于对井筒深部高应力岩体的稳定性控制，通过对井筒开挖后围岩位移与支护抗力的平衡关系进行定量化分析，确定井筒支护时机与支护参数。研究表明：4 m掘进施工循环高度并不能满足井筒围岩压力调控的空间要求，井筒围岩释放应力的最佳空间为3个掘进施工循环高度，即衬砌混凝土井壁到井筒工作面间未衬砌混凝土段的距离为12 m，在未衬砌混凝土井壁段采用释压爆破和释能支护主动调控井筒围岩应力，保障井筒围岩的长期稳定，使衬砌混凝土井壁达到“免承压”效果。

3 井筒施工工艺优化调整

综合超前序次释压建造理论及超前释压防控技术的分析，为保证井筒围岩压力得到有效释放，使井壁处于“免承压”或“缓承压”状态，以达到超前序次释压建造的目的，对三山岛金矿副井建造施工工艺进行了优化调整

三山岛金矿副井深部掘砌施工流程

具体工艺环节：自上一施工循环结束后，从下一施工循环开始，爆破掘进工作面距混凝土井壁高度为5 m，其中井壁以下4 m为释能支护段，留有1 m为无支护裸露围岩段。爆破掘进工作面炮孔深度为7 m，爆破完成后，爆堆高度与混凝土井壁间距为2 m，由此形成高度为12 m的井筒围岩压力调控空间。随后进行井筒出矸、掘进工作面找平等工作，当出矸深度达到工作面距混凝土井壁高度4 m时，下移井壁模板浇筑混凝土，待井壁浇筑完成后继续出矸，并进行释能支护，每次出矸高度为2 m，同时对此2 m段高围岩进行释能支护。至此在该施工循环中出矸深度共为8 m，释能支护高度为8 m，分4次进行，直至形成下一施工循环。

综合分析：采用RMR岩体质量等级得出井筒围岩最小无支护自稳跨度为2.1~3.2 m、最小无支护自稳时间大于350 h，释能支护采取高度2 m、锚杆长度3 m、间排距1.5 m×1.5 m的支护方案；采用超前序次释压建造工艺，将衬砌混凝土井壁与井筒工作面距离提高到12 m，井筒围岩应力集中现象明显消减，围岩破坏深度减少49%~62%。

学者风采

赵兴东

教授、博士研究生导师

东北大学

入选国家高层次领军人才，国务院政府特殊津贴专家，深地国家科技重大专项项目负责人。担任中国有色金属学会深地矿建与资源开发专委会主任委员，深部金属矿采动地压灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室主任。宝钢优秀教师、辽宁省教学名师、《金属矿山》编委。

围绕深部金属矿床开采研究，从深部金属矿床开发的全生命周期出发，构建了矿山三维工程灾害分析模型，创新了深部采场结构设计方法及深部采动岩体失稳应变判据，提出了下向梯段式采场落矿方法；创立了超前动态序次释压调控理论，研发了抗岩爆释能支护技术，完成了多条1 500 m以深超深竖井建设项目研究，形成了旨在解决深部金属矿连续安全高效智能化开采的系列理论和关键技术，研究成果在40余座矿山应用，成功解决了红透山铜矿等深部金属矿山采动地压灾害防控难题，多项科研成果被评价为国际领先水平。主持深地国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目等国家级项目7项，主持横向科研课题近百项。出版专著和教材4部，发表论文100余篇，授权发明专利30余项，主持制定行业和团队标准4项，参编《采矿手册》《中国大百科全书•矿冶卷》。研究成果获辽宁省科学技术奖一等奖等省部级科技奖励10余项。

成果来源

赵兴东，武桐，况丹阳，王昌，赵春玺，李畅，李文光，侯成录.2 005 m超深竖井超前释压建造工艺[J/OL].金属矿山,1-22[2025-12-11].

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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