280排水平峒巖溶施工技術(shù)研究

黃玉生

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

在巖溶巷道施工中,會遇到各種各樣的巖溶問題,比如巖溶突水、突泥、涌水、頂板溶洞充填物塌落、冒頂和底板沉陷等。這些不良的巖溶地質(zhì)現(xiàn)象,給巷道施工造成安全隱患,影響施工質(zhì)量,減緩施工進(jìn)度。本文將結(jié)合工程實(shí)例,對巷道施工中遇到的巖溶問題及其對應(yīng)采取的技術(shù)措施進(jìn)行探討。

1 工程概況

中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦礦區(qū)位于中國西南部,這里常年雨水充沛,巖溶極為發(fā)育。礦區(qū)沿礦脈主要呈東西走向,東西跨度約5 km。地形西高東低,地形地貌受地層構(gòu)造控制,碳酸鹽巖類出露區(qū)為巖溶峰叢地形,并形成特有的巖溶地貌,而碎屑巖類出露區(qū)呈緩坡地貌[1]。280排水平峒是中信大錳大新分公司60萬t/a地下開采工程的子項(xiàng)工程,是整個地下開采工程的主要排水通道。東起選礦廠,西至東風(fēng)井,全長 1 770 m,凈斷面7.72m2。通過的Ⅱ級圍巖段不支護(hù)；Ⅲ級圍巖采用混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu),厚度200mm；Ⅳ、Ⅴ級圍巖采取混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)(特殊情況下加筋),厚度300mm。

1.1 巖溶概況

巷道圍巖主要以泥盆系東崗嶺組灰?guī)r為主,其間發(fā)育有溶孔、溶隙、溶洞、甚至暗河等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象[2]。巷道掘進(jìn)至936 m后,開始遇到各種大小不一、形狀各異的溶洞,溶洞揭穿后幾乎都發(fā)生有突泥現(xiàn)象。在1 210m揭露有一系列溶洞,溶洞沿巷道長度達(dá)9m,垂直于巷道寬度最大達(dá)15 m,最高高度達(dá)8 m。洞內(nèi)充填有塊石、碎石及大量粘性土,爆破揭穿后夾雜有充填物的泥漿從洞口突出,其中一次性最大涌出量達(dá)86m3。施工過程中還有泥漿、泥水不斷地涌出,頂板充填物不時(shí)掉落、垮塌。充填石直徑從0.01～1.5 m不等,曾有直徑3 m多的大塊石卡在掌子面,而不得不先行處理。各溶洞性質(zhì)如表1。

表1 溶洞性質(zhì)表

1.2 巖溶引發(fā)的施工問題

1)突泥后,巷道底部被厚層的粘性泥漿所覆蓋,阻礙施工的正常進(jìn)行,清淤也不易。

2)巷道頂板溶洞充填物不停掉落、坍塌,無法正常往前掘進(jìn),并存在重大安全隱患。

3)局部地段底板主要由松散的溶洞充填物組成,混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)邊墻容易下沉開裂。

2 溶洞施工方案

2.1 方案選定原則

1)安全性

首先要確保施工過程中的安全；其次要保證后期混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期可靠性、安全性。

2)可操作性

盡可能考慮在現(xiàn)有的設(shè)備和施工技術(shù)條件下,選擇比較容易實(shí)施的、可操作性比較強(qiáng)的、工藝比較簡單的施工技術(shù)方案。

3)多樣性

一旦一種方案無法實(shí)施,有備用方案可以選擇；針對不同的情況,采取不同的措施。充分考慮溶洞位置、規(guī)模與巷道的空間關(guān)系。關(guān)系不同,則采取的措施也不同。

4)經(jīng)濟(jì)性

在滿足安全和質(zhì)量的前提下,選擇比較經(jīng)濟(jì)的、節(jié)約的方案。

2.2 總體方案

無論采取什么樣的方案,一般都會經(jīng)過以下施工工序：清除巷道淤泥→施作超前支護(hù)→挖除坍塌體→爆破刷幫→出碴、清泥→澆筑混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)→部分溶洞空間回填。

2.2.1 巷道清淤

溶洞揭穿后,有大量夾雜著塊石、碎石的泥漿鋪滿了整個道巷工作面,必須先清淤?？梢韵炔捎脵C(jī)械挖除,但是突出物具有很強(qiáng)的粘性,有時(shí)機(jī)械不起作用,這時(shí)可以人工配合機(jī)械進(jìn)行清除。280排水平峒各溶洞清淤量見表1。

2.2.2 超前支護(hù)

這是最關(guān)鍵的施工工序和施工技術(shù),也是施工的難點(diǎn)之一。如果這一工序做得好,將有利于下一道工序的展開；相反則會反復(fù),無法正常施工下一道工序。可采取如下技術(shù)措施：

1)在巷道拱部向坍塌體(溶洞充填物)超前插管支護(hù),并對坍塌體進(jìn)行注漿。使超前管棚、坍塌體固結(jié)成一個整體,共同支撐來自圍巖的壓力。管棚尾端使用鋼拱架支撐或者澆筑一段混凝土支撐,前端打入穩(wěn)定巖層中,形成有效的“棚護(hù)”作用。支護(hù)工序：插管→支撐管棚尾端→鉆注漿孔→注漿。這是大斷面巷道解決大溶洞坍塌體或巷道大冒頂?shù)挠行Ъ夹g(shù),安全性比較高,但工序工藝比較復(fù)雜,費(fèi)用也比較高。

2)在巷道拱部施工超前錨桿棚[3]但不注漿。這種超前錨桿棚是小斷面巷道處理各類溶洞或大斷面巷道處理小溶洞都可以采用的技術(shù)。280排水平峒溶洞施工就主要采用這種技術(shù)。起初超前管使用φ40鋼管,但效果不太理想而且插管比較困難；因而用φ30圓鋼代替φ40鋼管。圓鋼長度6 m,環(huán)向間距10～30 cm。支護(hù)工序：鉆孔→插桿→澆一段混凝土支撐管棚尾端→完成。支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超前桿棚示意

事實(shí)證明這種圓鋼超前桿棚在控制溶洞充填物塌落方面起到了良好的效果,特別是跨度比較短的溶洞(如1號、2號和3號溶洞),效果更明顯。但如果施工規(guī)模比較大,跨度比較長的溶洞(如4號、5號溶洞),這種超前桿棚有一定缺陷,因?yàn)闂U棚前端無法錨入穩(wěn)定的圍巖中,因而穩(wěn)定性和支撐力都有所減弱。但是在掘進(jìn)一段距離(2～3 m)后,立即施作下一超前桿棚和澆筑混凝土支護(hù),也可以很好地解決這個問題。

2.2.3 清碴和擴(kuò)幫

超前支護(hù)完成后,就可以在其下挖除溶洞充填物,采用人工配合機(jī)械開挖。對于石質(zhì)圍巖部分需要爆破開挖時(shí),應(yīng)選擇周邊爆破技術(shù)[4]。盡量多打眼、打淺眼,并控制爆破藥量,盡量減小爆破對溶洞充填物的擾動,以免引發(fā)二次坍塌。

2.2.4 溶洞位置與支護(hù)結(jié)構(gòu)

溶洞相對于巷道斷面所處的位置不同,支護(hù)結(jié)構(gòu)也會有所不同。溶洞與巷道所處的空間關(guān)系多種多樣,結(jié)合本工程主要討論以下3種情況[5]。

1)溶洞發(fā)育于巷道拱腰以上,并且溶洞比較寬。超前桿棚只是確保了拱部的開挖安全,但是邊墻并未得到控制,邊墻的溶洞充填物極易產(chǎn)生片幫。因此有必要對邊墻進(jìn)行加固處理,在邊墻部位砌起兩道漿砌片石墻。片石墻作用：一是控制片幫,二是保護(hù)后期混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)不受破壞。沙袋層的作用是保護(hù)拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)不受沖擊破壞。本工程的3號、4號溶洞便屬于這種情況,只是片石墻被沙袋墻所代替。因?yàn)檫厜Φ娜芏闯涮钗镆鸦颈磺宄?不存在片幫的可能性,故無需再砌片石墻。支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)育于拱腰以上的溶洞支護(hù)

2)溶洞發(fā)育于巷道底板。因溶洞底板充填物比較松散,溶洞段與其前后的非溶洞段底板巖性不同,后期混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)不均勻沉降,從而造成混凝土支護(hù)體開裂,支護(hù)結(jié)構(gòu)將受到破壞。處理措施：a如果底板溶洞充填物很薄,先將其挖除,然后再用漿砌片石回填；b如果充填物很厚根本無法完全清除,可以采用鋼筋梁或板跨越(梁、板兩端要架設(shè)在硬巖之上),或者溶洞段全部澆底處理。支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 發(fā)育于拱腰以下的溶洞支護(hù)

3)溶洞規(guī)模遠(yuǎn)大于巷道斷面。這時(shí)既要用片石砌墻也要砌底,最好拱部也用沙漿砌片石拱,然后再在石砌體內(nèi)澆筑混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

以上無論采取哪種支護(hù)方式,溶洞段都應(yīng)考慮預(yù)埋泄水管,以防汛期水壓增大,而導(dǎo)致支護(hù)體遭受破壞。

圖4 規(guī)模遠(yuǎn)大于巷道斷面的溶洞支護(hù)

3 結(jié)語

在采取以上技術(shù)措施后,安全通過了這些溶洞。經(jīng)過1年多的時(shí)間考驗(yàn),溶洞段混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)未有任何明顯變形、開裂現(xiàn)象,而且經(jīng)受住了幾次井下洪災(zāi)的考驗(yàn)。而預(yù)埋于混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)中的泄水孔,也達(dá)到了預(yù)期的泄水作用,避免了因汛期水壓過大而對混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。

盡管安全通過了這些溶洞,但是在以后的巖溶巷道施工中,必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào)工作,對巷道前方巖溶進(jìn)行預(yù)測。若預(yù)測到大規(guī)模不良巖溶地質(zhì)體,則應(yīng)繞過。特殊情況不能繞過時(shí),則應(yīng)提前準(zhǔn)備好穿越不良巖溶地質(zhì)體的應(yīng)急預(yù)案,以防止施工中突泥和突水事故的發(fā)生。

[1]王建新,楊家謙,龔景秋,等.廣西大新縣下雷礦區(qū)南部碳酸錳礦詳細(xì)勘探地質(zhì)報(bào)告[R].南寧：廣西第四地質(zhì)隊(duì),1985.

[2]袁道先.中國巖溶學(xué)[M].武漢：地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.

[3]董方庭,姚玉煌,黃初,等.井巷設(shè)計(jì)與施工[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[4]戴俊,王樹仁.爆破工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5]施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997.