編者按 隨著淺部資源開采趨近枯竭，資源開發的步伐不斷向地球深部邁進，深豎井是地球深部礦產資源開發的“咽喉要道”。正值“十四五”收官、“十五五”開局以及《金屬礦山》創刊60周年之際，我刊編委、東北大學趙興東教授受邀撰文《2 005 m超深豎井超前釋壓建造工藝》。該文針對傳統豎井“一掘一砌”施工工藝難以保障超深井筒安全高質建造要求，導致施工過程中產生地壓災害難防難控的問題，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，通過調整襯砌混凝土井壁與井筒掘進工作面之間的合理距離，采用釋壓爆破、釋能支護和調整襯砌時間等技術，從時間和空間維度充分釋放積聚在井筒圍巖內的高應力，可滿足超深井筒安全穩定、高質建造的要求，保障超深井筒的長期穩定。

成果精要

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

目前國內金屬礦深豎井建設深度已超過1 500 m，劃時代進入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。

山東黃金集團三山島金礦副井建造深度達到2 005 m，作為亞洲第一、世界第五深豎井，三山島金礦后續將再建2條2 000 m以深豎井，形成2 000 m以深超深豎井群示范區。

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

我國金屬礦豎井建設通常采用“一掘一砌”的短段掘砌正規循環作業，此作業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、提高混凝土強度等級等方式保障超深井筒穩定，但仍會出現井壁破壞、井筒失穩等工程問題。由此看出，亟需改進、優化傳統豎井“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定。

在此背景下，東北大學趙興東教授團隊以三山島金礦2 005 m深副井建設為工程背景，通過對超深井筒開挖圍巖塑性區分布狀態及影響范圍進行分析，采用超前序次釋壓建造理論，調整襯砌混凝土井壁與井筒掘進工作面間距離，以及應用釋壓爆破、釋能支護技術，從時間維度和空間維度調控井筒圍巖應力分布狀態，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，井筒圍巖應力發生重分布，圍巖應力狀態受到多種因素影響，不僅與井筒橫斷面形狀、開挖前巖體的初始應力狀態以及巖體物理力學性質有關，還與井筒支護結構、施工工藝等因素相關。傳統豎井建造多采用“一掘一砌”施工方法，開挖過程中因井筒圍巖存在空間效應，應力與位移未釋放完全便進行混凝土襯砌支護，因此混凝土襯砌結構同時承受圍巖已釋放的壓力與后續持續釋放的壓力增量。這種“非完全釋放”的受力狀態，使得混凝土襯砌結構早期易出現環向拉應力集中，尤其在井壁接縫處或地質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工作面間的距離，采用釋壓爆破、釋能支護等方法主動調控未襯砌段井筒圍巖內部及深部地層應力分布狀態，小梯段（2.0 m）出渣增加圍巖壓力釋放時間，弱化巖爆風險，使支護結構承載因圍巖應力重分布產生的形變壓力，并確定合理支護時機與支護方式，能夠采用低強度等級混凝土襯砌井筒，實現深部井筒慢施工、緩釋壓，井壁達到“免承壓”效果。該理論摒棄了傳統豎井“一掘一砌”的施工工藝，以及依賴襯砌混凝土強度及襯砌厚度支護井筒的理念。采用超前序次釋壓建造理論對三山島金礦2 005 m深副井建造工藝進行改進優化。

超前釋壓防控技術

2 超前釋壓防控技術

2.1 壁后釋壓爆破

在2 005 m深豎井掘進過程中，采用壁后釋壓爆破技術主動調控井筒圍巖應力狀態，通過鉆孔裝藥爆破產生的沖擊波，使其在井筒圍巖內產生切割裂縫，并使巖體裂隙萌生、擴展，在鉆孔周圍形成釋壓帶，為井筒圍巖壓力提供釋放補償空間，達到改善井筒圍巖應力狀態、減緩或轉移高應力集中、弱化巖爆風險的目的。

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

（a）應力分布

（b）釋壓槽設計

井筒圍巖應力分布及釋壓槽設計

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

釋壓爆破井筒圍巖前后對比

釋壓爆破井筒圍巖應力狀態演化

2.2 超長段鉆孔釋壓爆破

超前鉆孔釋壓技術作為一種主動調控應力的方法在工程實踐中被廣泛應用，通過在井筒掘進工作面實施預鉆孔釋壓，能夠有效降低高地應力引發的工程風險，從而提高井筒施工的安全性。現場實施時，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，主動調控井筒掘進工作面深部地層應力場，優化應力分布，降低后續施工過程中巖爆發生概率。

超長段探水孔設計（單位：m）

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

超長段鉆孔釋壓機理

基于釋壓爆破原理，利用超長段探水孔釋壓的同時進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，導致豎井掘進爆破時造成超挖，因此采取超長段鉆孔淺部少裝藥預裂爆破成縫、深部增大裝藥量的方式進行超長段鉆孔釋壓爆破。

2.3 釋能支護

單一混凝土襯砌支護無法完全實現對井筒圍巖壓力的有效控制。釋能支護設計方法包括理論法、工程類比法和數值模擬法，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等巖體質量等級劃分的井筒圍巖支護設計方法，三山島金礦副井-1 400~-1 800 m井筒圍巖巖體質量等級為Ⅱ~Ⅲ級，巖體質量屬于一般水平。

三山島金礦副井-1 400~-1 800 m井筒圍巖釋能支護結構采用釋能錨桿＋金屬網的支護形式。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產生整體滑移，釋放積聚在井筒圍巖內的能力，保持井筒圍巖穩定。設計錨桿長度3.0 m，間排距1.5 m×1.5 m，采用樹脂進行錨固，金屬網采用6.0 mm圓鋼，網度為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：施加釋能支護后，井筒圍巖破壞深度減少49%~62%；3 m長度釋能錨桿可實現錨固井筒圍巖破壞區域、穩固井筒圍巖，錨桿軸力為282 MPa，遠低于錨桿本身的屈服強度（錨桿鋼型為HRB400）。因此，釋能支護能夠主動調控圍巖應力分布，提高圍巖塑性區穩定性，阻止圍巖進一步破壞，保證井壁結構穩定，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 襯砌混凝土支護時機

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

??采用RMR巖體穩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定性進行分析。該礦副井-1 400~-1 800 m井筒基巖段最小無支護自穩跨度中最大值為3.2 m，最小無支護自穩時間中最小值為350 h，而井筒每循環掘進深度為4 m，每次循環掘進用時約48 h（根據出矸吊桶容積決定）。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定性要求，施工過程存在安全風險，因此在井筒掘進施工過程中需增加釋能支護，以穩定可控的方式調整圍巖壓力，調控圍巖穩定狀態。

基于RMR巖體質量等級劃分的巖體穩定性分析

???收斂約束法能夠用于對井筒深部高應力巖體的穩定性控制，通過對井筒開挖后圍巖位移與支護抗力的平衡關系進行定量化分析，確定井筒支護時機與支護參數。研究表明：4 m掘進施工循環高度并不能滿足井筒圍巖壓力調控的空間要求，井筒圍巖釋放應力的最佳空間為3個掘進施工循環高度，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主動調控井筒圍巖應力，保障井筒圍巖的長期穩定，使襯砌混凝土井壁達到“免承壓”效果。

3 井筒施工工藝優化調整

綜合超前序次釋壓建造理論及超前釋壓防控技術的分析，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，以達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行了優化調整

三山島金礦副井深部掘砌施工流程

具體工藝環節：自上一施工循環結束后，從下一施工循環開始，爆破掘進工作面距混凝土井壁高度為5 m，其中井壁以下4 m為釋能支護段，留有1 m為無支護裸露圍巖段。爆破掘進工作面炮孔深度為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的井筒圍巖壓力調控空間。隨后進行井筒出矸、掘進工作面找平等工作，當出矸深度達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出矸，并進行釋能支護，每次出矸高度為2 m，同時對此2 m段高圍巖進行釋能支護。至此在該施工循環中出矸深度共為8 m，釋能支護高度為8 m，分4次進行，直至形成下一施工循環。

綜合分析：采用RMR巖體質量等級得出井筒圍巖最小無支護自穩跨度為2.1~3.2 m、最小無支護自穩時間大于350 h，釋能支護采取高度2 m、錨桿長度3 m、間排距1.5 m×1.5 m的支護方案；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，井筒圍巖應力集中現象明顯消減，圍巖破壞深度減少49%~62%。

學者風采

趙興東

教授、博士研究生導師

東北大學

入選國家高層次領軍人才，國務院政府特殊津貼專家，深地國家科技重大專項項目負責人。擔任中國有色金屬學會深地礦建與資源開發專委會主任委員，深部金屬礦采動地壓災害防控國家礦山安全監察局重點實驗室主任。寶鋼優秀教師、遼寧省教學名師、《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的全生命周期出發，構建了礦山三維工程災害分析模型，創新了深部采場結構設計方法及深部采動巖體失穩應變判據，提出了下向梯段式采場落礦方法；創立了超前動態序次釋壓調控理論，研發了抗巖爆釋能支護技術，完成了多條1 500 m以深超深豎井建設項目研究，形成了旨在解決深部金屬礦連續安全高效智能化開采的系列理論和關鍵技術，研究成果在40余座礦山應用，成功解決了紅透山銅礦等深部金屬礦山采動地壓災害防控難題，多項科研成果被評價為國際領先水平。主持深地國家科技重大專項、國家自然科學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，發表論文100余篇，授權發明專利30余項，主持制定行業和團隊標準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技術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》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《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種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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