金属矿深竖井建设普遍面临高地应力、高水压以及高地温等地质力学环境,给竖井施工带来了严峻挑战。尤其是在穿越高压含水层时,工作面突水、涌水等地质灾害风险急剧增加,成为制约深竖井建设的关键瓶颈。工作面预注浆技术凭借其安全高效的优势,已成为当前保障深竖井安全掘进的核心堵水措施。在注浆工艺中,止浆结构是承受高注浆压力、防止浆液向上扩散的关键承载单元,其自身的稳定性与可靠性直接决定了注浆效果。传统混凝土止浆垫在高注浆压力作用下,存在材料消耗大、设计厚度大等固有缺陷。相比之下,充分发挥原岩地层的自承载力,构建以原岩岩体为主体,或与混凝土垫层共同承载的岩-砼复合止浆结构,不仅能够最大限度地减少混凝土使用量,而且能够抵抗更高的水压与注浆压力,具有良好的应用价值和经济效益。 本文聚焦金属矿深竖井工作面预注浆堵水工程问题,结合理论推导、室内试验和现场应用检验等技术手段,分析了岩-砼复合止浆结构特征及其承载性能,构建了适用于深部地层的岩-砼复合止浆结构模型。经工程实践表明,在预注浆工作面前方选取一段完整且稳定的原岩地层作为原岩岩帽能够满足注浆施工的要求,且具有良好的经济效益。论文主要工作如下: (1)针对深部高水压、高注浆压力作用下的预注浆堵水工程问题,根据实际工程受力状态,分析了岩-砼复合止浆结构特征和受力承载条件,构建了深竖井工作面岩-砼复合止浆结构模型,该模型包含两部分结构,一是原岩岩帽层,二是混凝土垫层,原岩岩帽层是核心主体,混凝土垫层为补充结构。 (2)针对岩-砼复合止浆结构中原岩岩帽层的承载机制研究,根据尖点突变和断裂力学的相关理论,分析了原岩岩帽层的受力及其变形特征,并构建了原岩岩帽层最小安全厚度计算方法与理论;针对岩-砼复合止浆结构中混凝土垫层的承载机制研究,根据弹塑性球壳理论,分析了混凝土垫层的受力及其变形特征,构建了混凝土垫层的最小安全厚度计算方法与理论。 (3)针对岩-砼复合止浆结构协同承载机制研究,根据整体稳定性和能量分配分析表明,在复合止浆结构中原岩岩帽层为承载骨架,主要起到承载高注浆压力的作用,保障整个复合止浆结构的稳定性;混凝土垫层起到柔性缓冲、吸收能量、调整应力和提高结构韧性的作用。能量在两者之间的分配取决于原岩岩帽层和混凝土垫层的厚度及材料力学性能。 (4)针对原岩岩帽层岩体破裂机理研究,通过细观岩石力学试验分析技术表明,花岗岩非均质性和宏观力学性能差异源于内部矿物组分的力学特性,深部非均质花岗岩的破裂过程具有自组织临界破裂成核特征,建立了基于声发射统计特征的花岗岩破裂成核区识别方法。 (5)针对原岩岩帽层的赋存状态及性能评价方法研究,采用水压致裂法探明了深部岩体的高地应力赋存状态,并结合孔隙水压力监测和钻孔测温技术,综合分析了深部岩体“三高”多场环境特征。结合高密度跨孔电阻率扫描与超声波测井测试,建立了工作面孔间探测技术,并构建了多指标的原岩岩帽层综合质量评价方法,为原岩岩帽层的选取提供了依据。 (6)提出了复合止浆结构设计的基本原则和依据,可根据实际地层完整性(评价结果)选择单一止浆结构或岩-砼复合止浆结构进行注浆施工。以三山岛金矿副井-1587 m注浆工程为依托,通过对工作面原岩地层开展电阻率探测、超声波测井、节理裂隙统计和原岩岩帽层厚度计算等工作,确定选择单一原岩岩帽结构进行现场注浆施工,经工程检验表明,采用原岩岩帽单一结构,经一轮注浆后工作面钻孔涌水量下降73%,节省混凝土约966.95 m3。