連續(xù)復雜地質(zhì)構(gòu)造段平硐開拓施工技術(shù)研究

摘 要：龍門峽南煤礦+300m主平硐在施工過程中先后遇到涌水段、黃泥段、陷落柱、溶洞、巖溶裂隙帶等特殊地質(zhì)構(gòu)造，掘進進度慢、安全威脅大，嚴重制約礦井建設(shè)進度。通過采用物探、鉆探相結(jié)合的手段進行預(yù)測預(yù)報，釬探進行驗證，為通過特殊地質(zhì)段提前做好防范措施奠定基礎(chǔ)。在陷落柱和黃泥段運用矸石換填及時機械出矸，確保出矸暢通，利用“短掘短支”技術(shù)，確保支護可靠，施工進度提高。

關(guān)鍵詞：連續(xù)過特殊地質(zhì)段；預(yù)測預(yù)報；快速通過

1 研究背景

龍門峽南煤礦+300m主平硐在強含水層內(nèi)施工，巷道所穿越地層有：新四紀侏羅系自流井組（J1-2z）、珍珠沖組（J1zh），三疊系須家河組（T3xj）、雷口坡組（T2l）、嘉陵江組（T1j）、飛仙關(guān)組（T1f），二疊系長興組（P2c）、龍?zhí)督M（P2l）和茅口組（P1m）地層。除新四紀侏羅系自流井組（J1-2z）、珍珠沖組（J1zh），三疊系須家河組（T3xj）、飛仙關(guān)組1、3段，二疊系龍?zhí)督M1、3、5段為相對隔水層外，其余地層均為強含水層。巷道所對地表巖溶比較發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象尤為嚴重。+300m主平硐一期工程總長3500m，巖石傾角57～35°左右。

2 研究方案

探防水應(yīng)建立在以物探和鉆探為主、釬探為輔的水害條件探測技術(shù)基礎(chǔ)上，與此同時，對大氣降水和井下巖溶或其他易突水點進行實時監(jiān)測，結(jié)合對+300m主平硐已有水文地質(zhì)資料的分析進行長期性區(qū)域突水威脅預(yù)測和短期局部突水預(yù)報，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，采取物探、鉆探等多種探測手段進行綜合探測，對各易發(fā)生突水點選擇實施或疏放、或封堵的綜合防治措施。

在施工巷道掘進之前，還應(yīng)采取一定的檢驗措施（此處主要采用釬探的方式），對治理效果進行檢驗。同時施工高位避災(zāi)硐室，設(shè)立避災(zāi)路線、建立緊急處理預(yù)案等安全措施，健全針對重大水害威脅實施的“監(jiān)測預(yù)報，防探結(jié)合，治理檢驗，綜合防護”的綜合防治水技術(shù)措施體系。

3 預(yù)測預(yù)報技術(shù)研究

3.1 預(yù)測預(yù)報技術(shù)

對+300m主平硐各特殊地質(zhì)段采用美國勞雷公司SIR-20多通道透視雷達超前探測圍巖與含水層水體等情況，兩施工作業(yè)點的物探方式為無斷距（保證超前巖柱10m）。使用該設(shè)備物探的探測精準度達80%以上，能夠滿足施工的需要，再根據(jù)物探情況進行鉆探進一步提高預(yù)測精度。

2010年11月23日早班，+300m主平硐里程K0+878m磧頭情況顯示頂部為灰色薄層狀含云灰?guī)r及灰質(zhì)泥巖，底部為黃灰色薄至中厚層狀白云巖，刀砍紋發(fā)育，具連續(xù)水平層理，淋雨狀或涌流出狀出水。此次物探布置三條勘探線，勘探線采用往返探測，控制磧頭長度21m。

經(jīng)探測，物探15～17m內(nèi)信號波發(fā)生變化，由此可以推斷，物探控制范圍內(nèi)，15～17m的地段存在地質(zhì)異常，但其信號波變化幅度不大，預(yù)計為一些小的巖溶裂隙所致，掘進至該段異常區(qū)附近時需加強探防工作。

根據(jù)物探預(yù)測，在該段進行了鉆探（3#鉆場鉆孔終孔為80m，4#鉆場終孔為20m）以對前方水文地質(zhì)進行控制，見下圖。結(jié)合物探及鉆探成果，成功預(yù)測并安全揭露出+300m主平硐涌水段裂隙（揭露時涌水量達600m3/h）。

3.2 預(yù)測預(yù)報結(jié)果

2010年5月至2013年1月，使用該種預(yù)測預(yù)報方案分別準確預(yù)測了主平硐黃泥段（K1+270m～K1+296m）、1#陷落柱（K1+330m～K1+373m）、2#陷落柱（K1+402m～K1+469m）、1#巖溶裂隙帶（K1+736.5m～K1+754.2m）、2#巖溶裂隙帶（K1+774.9m～K1+806.6m）、2#溶洞（K1+845.3m～K1+863.0m）、2#底板冒水（K3+020m）等多個特殊地質(zhì)段。其揭露情況如下：

（1）涌水段：位于雷口坡組三段白云質(zhì)灰?guī)r中，起止里程為+881～+998m，主平硐揭露段距地表高差為254.82～277.99m，該段巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，揭露該段時涌水，涌水量600～1500m3/h，經(jīng)數(shù)天的疏干排泄，已基本無水，現(xiàn)下雨天會出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量10～50m3/h。由此說明該段過水通道已導通地表，將地表水引入坑道之中，該涌水段涌水量隨大氣降水的增大而增大。

（2）黃泥段：位于雷口坡組二段白云質(zhì)灰?guī)r中，起止里程為+1270～+1296m，主平硐揭露段距地表高差為248.85～262.95m，該段巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，粉晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，礦井揭露該段時，巖溶裂隙中夾大量黃泥，伴隨較小涌水，涌水量為3m3/h，下雨天涌水量為5m3/h。該段的左幫有兩處巖溶裂隙水以股壯形式流出，實測涌水量為0.27～0.39m3/h，由此說明該段巖溶裂隙已導通地表，將地表水引入坑道之中，主平硐該涌水段涌水量隨大氣降水的增大而增大。

（3）1#陷落柱：位于雷口坡組二段與雷口坡組一段白云質(zhì)灰?guī)r中，起止里程為+1330～+1373m，主平硐揭露段距地表高差為219.67～238.38m，該段巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，粉晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。探水鉆孔在鉆進至里程1330m處揭露該陷落柱，見黃泥、風化碎塊狀巖石，巖石裂隙面有水蝕跡象，揭露時涌水量為20m3/h，經(jīng)數(shù)天的疏干排泄，已基本無水。說明該巖溶陷落柱封閉性良好，有一定的儲水能力，但水的補給來源小，對主平硐無影響。

（4）2#陷落柱：位于雷口坡組一段及嘉陵江組四段鹽溶角礫巖中，起止里程為+1402～+1469m，主平硐揭露段距地表高差為204.52～212.3m，揭露該段時，為大量黃泥夾雜極破碎灰?guī)r，少量淋水，該段的右?guī)陀幸惶帋r溶裂隙水以股壯形式流出，實測涌水量為0.70m3/h。由此說明該巖溶陷落柱封閉性較好，儲水能力較強，且塌陷裂隙已導通地表。此段采用11#礦工鋼C20噴砼，D=190mm，砌碹支護，D=300mm，底板C25現(xiàn)澆鋼筋砼，D=400mm，鋼筋：？準22@300mm，？準16@200mm支護，2011年5月發(fā)現(xiàn)其底板有底鼓現(xiàn)象，2012年2月對其采取注漿補強。注漿前巷道底板累計最大上升102mm，頂板最大下降9mm；注漿后巷道頂部多處淋水，底板累計最大上升129.5mm，頂板最大下降9.5mm。由此表明此地質(zhì)段仍變形，只依靠注漿不能保證支護強度，支護有崩塌的可能。

（5）1#溶洞：位于嘉陵江二段鹽溶角礫狀灰?guī)r中，里程為+1635m，主平硐揭露段距地表高差為224.26m，溶洞沿地層走向發(fā)育，左幫寬2.3m，右?guī)蛯?.8m，高5m，右?guī)统蜻M方向延伸3m，揭露時涌水量為5m3/h，一般涌水量為0.5m3/h。由此說明該溶洞連通性較差，無大量突水可能，對主平硐無影響。

（6）1#巖溶裂隙帶：位于嘉陵江組二段鹽溶角礫狀灰?guī)r中，起止里程為+1736.5～+1754.2m，主平硐揭露段距地表高差為219.67～238.38m。巖性為淺灰、灰色薄層至中厚層泥～粉晶灰?guī)r，間夾生物碎屑灰?guī)r，含泥灰?guī)r，上部沿走向可大范圍相變?yōu)榘自茙r、灰質(zhì)白云巖；具水平層理、水平波狀層理，見波痕、蠕蟲狀和鳥眼構(gòu)造。底部為灰色塊狀鹽溶角礫狀灰?guī)r，局部為中厚層粉晶灰?guī)r。揭露該段時基本無水。1#巖溶裂隙帶實際為嘉陵江組二段鹽溶角礫巖地層，有一定儲水能力，對主平硐無影響。

（7）2#巖溶裂隙帶：位于嘉陵江組二段中厚層狀灰?guī)r中，起止里程為K1+774.9～K1+806.6m，主平硐揭露段距地表高差為247～253.05m，巖性為灰色薄層～中厚層狀石灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，間夾巖溶角礫巖。揭露該段時基本無水。2#巖溶裂隙帶實際為嘉陵江組二段鹽溶角礫巖地層，有一定儲水能力，對主平硐無影響。

（8）2#溶洞：位于嘉陵江組一段中厚層狀石灰?guī)r中，起止里程為K1+845.3～K1+863.0m，頂部巖性為淺灰色薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、下部巖性為紫紅色鈣質(zhì)泥巖。揭露該段時基本無水。該段地層含2層相對隔水層，導水條件差，對主平硐無影響。

4 特殊構(gòu)造地質(zhì)帶施工技術(shù)

揭露出巖溶構(gòu)造帶后，溶洞或溶蝕構(gòu)造帶出現(xiàn)的空洞面積和高度，易在雨水季節(jié)發(fā)生大面積漏水、沉降等問題；在揭露時出現(xiàn)軟泥、涌水、破碎巖層等綜合出現(xiàn)時，可造成巷道圍巖軟化，頂幫支護困難，底板軟化造成傳統(tǒng)出矸方式易現(xiàn)槽狀，極大地影響施工進度，同時為后期巷道支護維護帶來較大困難。

4.1 巖溶水處理

2010年5月，+300m主平硐涌水段揭露時，涌水達3000m3/h。該段采取疏排相結(jié)合的方式進行，共施工磧頭？準87mm鉆孔14個，至7月磧頭已顯示基本無涌水。

遇黃泥段、陷落柱段時，針對巷道圍巖頂幫漏水面積大，但水量較小的特點，采取了以砌碹石的方式加強頂幫支護，使用SBS防水卷材阻隔涌水，避免其直接作用于支護，并于每隔5m預(yù)留一泄水孔確保巷道支護不受影響。

對溶洞段進行處理的過程中，出水封堵為在溶洞左幫出水及流沙點采用遠距離帶幕注漿進行。

4.2 構(gòu)造帶處理

+300m主平硐黃泥段揭露時為灰?guī)r夾大量黃泥，但其遇水軟化，以耙矸機出矸稍許底板即出現(xiàn)槽狀，軌道基礎(chǔ)松軟，運輸車輛易下道。根據(jù)其特點，施工單位即采用人工出矸，并配合架料+噴漿的支護方式，同時每間隔15m施工放水孔，噴漿封閉后，黃泥段的水匯集一處通過鉆孔排出至水溝，有效解決了施工磧頭的泥漿問題，提高了出矸效率。同時，噴漿能夠使揭露的巖石快速固結(jié)，再與架料相配合，有效控制圍巖變形。

陷落柱段開挖后，因有大量的泥夾石垮塌，開挖后的泥夾石融入水后呈黃泥段的特點，故而采取了矸石換填的方式進行出矸，使得機械出矸可正常應(yīng)用，大大提高了出矸效率，保證了施工進度。

4.3 加固技術(shù)研究

國內(nèi)煤礦遇溶洞及地質(zhì)構(gòu)造帶常用的支護形式為砌碹支護、錨網(wǎng)噴支護、現(xiàn)澆混凝土支護等。

鑒于+300m主平硐使用年限較長，砌碹支護支護周期長，將錨網(wǎng)噴支護選擇為臨時支護，對特殊地質(zhì)段的加固處理采取先用工字鋼制成拱架作臨時支護，待壓力釋放圍巖趨于穩(wěn)定后，再編鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土或根據(jù)溶洞情況直接澆筑混凝土作為永久支護。保證巷道能承受不同程度的偏壓，同時整體性、密閉性好，不易漏風。

4.4 安全保障措施

在+300m主平硐過強含水的地質(zhì)構(gòu)造時，為保障安全施工，針對性地制定了如下相關(guān)的安全技術(shù)措施：

（1）在出現(xiàn)溶蝕構(gòu)造之后，應(yīng)及時收集溶蝕構(gòu)造的詳細資料，制作圖文供各方分析研究，及時制定出溶蝕構(gòu)造處理方案。

（2）成立施工安全小組，指定相應(yīng)的負責人管理施工安全。在施工前必須組織職工學習安全技術(shù)措施，并嚴格按照措施中的規(guī)定進行操作。

（3）在作業(yè)前必須找凈巷道內(nèi)的活巖懸矸。

（4）施工制模、砼澆注時應(yīng)設(shè)專人觀測溶蝕構(gòu)造周圍的涌水情況，涌水量增大或出現(xiàn)透水預(yù)兆時應(yīng)及時測出人員，待水流減少并保持穩(wěn)定后再恢復施工，同時施工中出現(xiàn)異常時要及時上報。

（5）在溶蝕構(gòu)造支護施工過程中，若磧頭離此處較近，則該巷道內(nèi)的放炮施工應(yīng)堅持多打眼少裝藥，防止放炮對溶蝕構(gòu)造圍巖剛形成的支護產(chǎn)生破壞，造成相應(yīng)的垮塌。

（6）施工之前應(yīng)仔細檢查各設(shè)備是否有故障，各支護材料是否安全可靠。

在認真組織基礎(chǔ)防治水措施實施的同時，主平硐布置高位避災(zāi)硐室，根據(jù)實際地質(zhì)揭露情況于2011年起，因在K2+801.3m進入長興組含水巖層，每隔200m施工一高位避災(zāi)硐室（硐室底板高于巷道頂板），施工完長興組地層后每隔500m布置一個，以確保水害應(yīng)急避災(zāi)效果。

5 治理效果

自2010年起+300m主平硐施工，龍門峽南煤礦已對涌水段、黃泥段、陷落柱等約11個特殊地質(zhì)段作出準確預(yù)測預(yù)報，預(yù)測預(yù)報長度3500m。含水層段施工高位避災(zāi)硐室5個，有效地為平巷獨頭長距離掘進提供了安全避災(zāi)場所。在主平硐3500m的施工中未發(fā)生因水害及特殊地質(zhì)段處理等傷亡事故。

通過結(jié)合不同地層構(gòu)造地質(zhì)段的發(fā)育機理，本著安全可靠、技術(shù)合理、經(jīng)濟可行的原則因地制宜地提出了相應(yīng)的掘進通過和支護處理措施，節(jié)約了工期和投資。

6 結(jié)束語

（1）預(yù)測預(yù)報為特殊地質(zhì)段區(qū)域施工的必要環(huán)節(jié)，是進行施工工藝前期論證、安全型評估的重要基礎(chǔ)。

（2）采用放水鉆孔、泄水孔、放水設(shè)備設(shè)施輔助等合理的疏排水方式減少對巷道施工、支護的影響，配合以高效的出矸方式，并選擇合理的支護形式，有效解決特殊地質(zhì)段處理與掘進效率之間的矛盾。

（3）進行了“四位一體”防治水措施，并創(chuàng)新建立了許掘制度，同時針對長距離獨頭施工的情況下，設(shè)置人性化的高位避災(zāi)硐室，加大了水害突發(fā)時應(yīng)急避災(zāi)的可靠性。

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作者簡介：王燦華（1963-），男，四川富順人，高級工程師。