巷道過溶洞支護施工技術研究

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摘要：為了解決龍門峽南礦＋623m回風平硐過6＃溶洞的支護難題，首先對溶洞段工程地質及巖溶特征進行分析，確定采用疏堵結合的方法，以泄水性能良好的卵石充填并敷設排水管確保溶洞流水通道暢通，以“鋼軌＋鋼筋混凝土”澆筑形成封堵溶洞體，通過引入邊界條件對溶洞支護體采用拱梁分載法原理計算應力分析，并確定了溶洞封堵洞體支護方案，必須確保過溶洞的封堵洞體與周邊巖層緊密結合，保證巷道運輸、通風功能，并在封堵溶洞體設泄水管，安設水壓觀測表和自動泄水閘閥，水壓超限自動排放，順利地解決溶洞支護和安全難題，取得了良好的支護效果。

關鍵詞：復雜地質條件；溶洞群；疏堵結合；支護施工

煤礦井巷施工過程中，難免揭露溶洞、陷落柱等地質構造，處理異常困難，應采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施［1］。龍門峽南煤礦系新建礦井，水文地質條件復雜。＋623m回風平硐從地面出露飛仙關組四段依次穿過長興組、龍潭組、茅口組。＋623m回風平硐適逢雨季施工，從開口施工不足1000m先后揭穿十余個大小不同的溶洞，其中距井口620m處揭露的長興組灰巖段6＃溶洞群最為復雜。6＃溶洞之前連續遇多個溶洞時巷道多次變向掘進，若再變向掘進則井巷極易偏離設計方向且可能揭穿另一積水區。經多方研究采取疏排結合、加強支護等措施后成功通過該溶洞。

1溶洞段工程地質及巖溶特征

溶洞段二疊系上統長興組（P2c）巖性為中～厚層狀石灰巖。其物理力學測試指標為：普通吸水率2􀆰66％，飽和含水率3􀆰24％，比重2􀆰75g／cm3，飽和抗壓強度48􀆰94MPa，軟化系數0􀆰76，泊松比0􀆰26，巖石質量較好（RQD均值73􀆰70％），巖體質量指標M＝0􀆰120，巖體質量中等，巖體基本質量等級為Ⅲ級。溶洞體頂部、底部、左側、右側均發育有表層溶蝕破碎帶，圍巖整體性、力學強度及穩定性均受到一定影響，存在圍巖穩定不均一變形。長興組巖溶發育，水文地質單元內共發育巖溶點370處，巖溶發育密度6個／km2，均為近垂直發育的漏斗、落水洞、溶蝕豎井等。其中干溶斗占總數的72􀆰7％，溶蝕豎井占總數的16􀆰5％，落水洞占總數的9􀆰2％，暗河占總數的1􀆰6％。＋623m回風平硐巖溶裂隙水文情況如圖1所示。

2支護施工

揭露的6＃溶洞為有水溶洞，溶洞長、寬約8􀆰0m，高約5m，斜切巷道軸線呈75°～80°夾角向巷道右幫延伸，涌水量大、與不明暗河導通，夏季暴雨2～3d后涌水量急劇增加，最大涌水量超10000m3／h，受大氣降雨補給非常明顯。突水點是井巷薄弱面，隱蔽性強，具有“突然性和強大的破壞性”的特點。多數情況下，過溶洞多采用封堵強行通過，這樣雖對發現的溶洞及一定影響范圍內起到有效的治理效果，但對于水文復雜區域，溶洞與地下水文構造可能貫通，井巷支護難免存在薄弱環節，有可能導致一定壓力溶洞積水從未發現的弱面突破，導致突水事故［2］。因此，設計溶洞支護處理應以疏堵結合，而不宜采用單純的強行封堵，即便干溶洞也應有放水設施和觀察設計，以避免溶洞積水突破支護薄弱面導致突水事故［3］。2􀆰.1基礎處理。井巷工程施工退后揭露點10m至溶洞結束10m段施工溶洞封堵洞體，封堵洞體長度約28m。施工封堵洞體前先清理干凈溶洞底部不穩定破碎體和溶蝕軟弱層，利用卵石或較大塊度掘進石灰巖矸石回填溶洞底部，并每隔5m埋設經防腐處理后的Φ150mm無縫鋼管聯系巷道兩側，管口設鐵篩防止石塊或黃泥堵死管口引起溶洞內水壓過大側壓垮塌封堵洞體，確保溶洞底部有良好的透水性和兩側水壓平衡，不切斷溶洞封堵洞體外的溶洞導水通路。然后再在回填體上澆筑200mm標號為C15混凝土作為墊層，在墊層之上一次澆筑300mm厚C25鋼筋混凝土板作為整體基礎［4］。2.􀆰2支護體應力分析。過溶洞的封堵洞體為一般殼體結構，應力分析引入邊界條件通過拱梁分載法原理對其進行計算。2􀆰2􀆰1邊界條件根據溶洞體條件和工程地質條件，封堵洞體穩定的邊界條件支撐應力應大于“最大蓄水位＋溫降＋淤沙壓力＋封堵洞體自重”之和。荷載包括水荷載、泥沙荷載和揚壓力［5－7］。1）荷載按照最大可能蓄水位計算。設計按照最大高度200m計算，按200m高度范圍內均為蓄水區域考慮其水荷載，計算約1􀆰96MPa。2）泥沙荷載。泥沙荷載淤積高程按200m均為泥沙淤積，泥沙容重8􀆰0kN／m3，泥沙內摩擦角8°。代入式（1）計算泥沙荷載約3􀆰13MPa。e＝γ（H＋1Ht）tan2（45－φc2）（1）式中，γ為泥沙容重，8􀆰0kN／m3；H為深度，200m；Ht為封堵洞體高度，即巷道高度，取4m；φc為泥沙內摩擦角，8°。3）揚壓力。封堵洞體揚壓力上游側的基巖揚壓力按全水頭計，下游側的基巖揚壓力按全水頭10％計算，其余段按線性分布進行計算，則上游側的基巖揚壓力1􀆰96MPa，下游側的基巖場壓力0􀆰20MPa。4）溫降荷載。該溶洞體常年位于地表200m以下，溫度變化非常小，溫降荷載可以忽略不計。5）封堵洞體自身荷載。指封堵溶洞的混凝土墻拱自身的荷載，與混凝土自身關系密切，其主要作用方向為垂直壓力方向的荷載。按封堵洞體拱高4􀆰75m位置計算為0􀆰12MPa。2􀆰2􀆰2應力分析作用于封堵洞體上的應力按力學原理分為垂直作用于洞體上面的壓力和作用于洞體法線方向的側壓力。垂向壓力為以上各壓力之和，即1􀆰96MPa＋3􀆰13MPa＋1􀆰96MPa＋0MPa＋0􀆰12MPa＝7􀆰17MPa。側壓力為水荷載、泥沙荷載與揚壓力之和，即1􀆰96MPa＋3􀆰13MPa＋1􀆰96MPa＝7􀆰05MPa。由于側壓力沿封堵洞體法線方向作用于封堵洞體，封堵洞體主要受拉力作用。綜合分析要求混凝土抗壓強度不得低于7􀆰17MPa，抗拉強度不得低于7􀆰05MPa。2􀆰.3支護設計。2􀆰3􀆰1支護墻體要求根據前述計算，作用于封堵洞體垂直方向的壓力為7􀆰17MPa，所受抗彎強度為7􀆰05MPa，選用C25鋼筋混凝土支護。鋼筋混凝土支護厚度按下式計算：KN≤φαRabh（2）式中，Ra為C25鋼筋混凝土彎曲抗壓強度，取19􀆰0MPa；K為安全系數，按“永久＋基本可變＋其它可變荷載”進行計算，取值3􀆰5；N為軸向力，取9􀆰5×103kN；B為截面寬度，m；H為支護厚度，m；φ為彎曲系數，貼壁式巷道支護，取1；α為軸向力的偏心影響系數，取1。將以上參數帶入式（2）計算得h≥0􀆰438m，因此確定設計支護厚度500mm。根據計算，作用于封堵洞體垂直方向的壓力為7􀆰17MPa，選擇的C25混凝土（fck＝16􀆰7MPa＞7􀆰17MPa）足夠滿足其抗壓強度。2􀆰3􀆰2支護施工封堵洞體結構采用與施工巷道一致的結構，即三心拱結構。其中掘進寬5000mm，凈寬4000mm；掘進墻高2900mm，墻凈高2100mm；掘進巷道高4742mm，凈高3742mm；拱頂部距離地表約200m。設計封堵洞體墻體外鋪設防水板，封堵洞體采用500mm厚度的C25鋼筋混凝土支護，縱向受力主筋Φ22＠250mm，走向筋Φ16＠250mm，拉筋Φ8＠500mm；對于封堵洞體墻根采用間距150mm兩根22kg／m鋼軌與封堵洞體一同進行澆注。底部縱向主筋Φ22＠125mm，拉筋Φ8＠500mm［8－10］。封堵洞體支護結構如圖2所示。2􀆰4溶洞涌水疏導該溶洞區域水文地質條件極為復雜，有可能與地下暗河甚至地表水體導通，在正常情況下排干積水后能確保其安全，但雨季水量極大。在溶洞支護巷道兩側底部水溝側每5m設置一根Φ150mm泄水管，將水管一端伸入溶洞內，另一端引至水溝中，水管上設放水閥和壓力表。放水閥壓力保持在1􀆰5MPa，當壓力達到1􀆰5MPa時，自動放水。雨季專人觀測，當壓力達到1􀆰5MPa后持續升高則啟動預警機制，通知井下撤人，確保安全。

3結論

1）通過引入邊界條件對溶洞支護體采用拱梁分載法原理計算應力分析，在復雜地質條件下溶洞支護以鋼筋混凝土整體支護為宜，且前后過渡段支護長度不宜小于10m，必須確保過溶洞的封堵洞體與周邊巖層緊密結合。2）導水溶洞基礎處理應以導水的卵石或礫石為主，并在巷道底部設置泄水管防止阻斷水流通路。對于極端條件下涌水極大的溶洞，應在泄水管上安設防水閘閥和壓力表，雨季專人觀測壓力表，防止水壓超限；一旦超限，立即啟動預警機制，撤出井下作業人員，確保礦井安全。3）通過近2年的實際支護段運行情況，沒有發現該段支護有開裂、變形、底板下沉的跡象，降雨時，涌水得到了及時排出，巷道排水平穩，沒有暴83增現象，說明此方案完全可行的，封堵洞體質量有保障。4）采取了本方案支護，較巷道改道變向，節省巷道長度60余米，節約投資48􀆰6萬元。根據現場實際情況，加強現場管理，精心組織施工，僅用一周的時間就安全順利的穿過了該溶洞，比原計劃縮短了8d，也比巷道改道時間縮短了8d，加快了施工進度。目前，＋623m回風平硐已經按預定施工方案通過長興組灰巖溶洞群十余個，在近2a的運行中經過數次暴雨考驗，未發生任何溶洞透水事故，保證了礦井安全，并在類似情況運用該設計方案，取得了良好的經濟效益和社會效益。

作者:徐志勇 單位:四川省煤炭設計研究院