文家壩一礦主平硐穿越特大型溶洞設(shè)計(jì)方案研究

陳 明，田明富

(貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025)

目前我國(guó)在公路、地鐵、礦山等建設(shè)過程中往往會(huì)遇到各種復(fù)雜巖溶問題，造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。其中，喀斯特地區(qū)絕大部分地下工程以巖溶水充水為主，因而地下工程充水具有不均勻、量大、突發(fā)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，在喀斯特地區(qū)建設(shè)礦井過程中還存在瓦斯等災(zāi)害，礦井水害與瓦斯災(zāi)害等復(fù)合疊加作用下將存在重大的安全隱患[2]。喀斯特地區(qū)礦井建設(shè)還受到地下溶洞大小、形態(tài)發(fā)育特征以及洞體圍巖物理力學(xué)特性等因素影響[3-5]，值得深入研究探討，特別是闡述喀斯特地區(qū)礦井巷道穿越溶洞的文獻(xiàn)還較為少見。因此，建立一套行之有效、經(jīng)濟(jì)合理的巷道溶洞綜合治理方案和體系是一個(gè)亟待解決的重大難題[6]，開展喀斯特地區(qū)煤礦溶洞處理研究，對(duì)指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)有重要的理論與實(shí)踐意義[7-9]。本文針對(duì)文家壩一礦溶洞特點(diǎn)，對(duì)主平硐穿越溶洞支護(hù)方法及實(shí)踐作一定探討[10]。

1 溶洞概況

文家壩一礦位于貴州省畢節(jié)市織金縣，礦井地處黔西高原向黔中丘原的過渡地帶，南部是F28(AF4)斷層，北部是F1(AF1)斷層，內(nèi)部斷層、褶曲繁多，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜?？椉{礦區(qū)處于多溶洞地帶，屬于典型的喀斯特地貌特征，大量的溶洞阻礙著礦井建設(shè)，導(dǎo)致建設(shè)進(jìn)度緩慢、工期延長(zhǎng)、投資增加，而且對(duì)安全工作造成很大的威脅。

文家壩一礦主平硐工程在施工至巷道K0+660m處時(shí)工作面揭露一個(gè)有積水的特大溶洞。根據(jù)地勘資料知該溶洞為斷層、地層交接復(fù)合帶，溶洞體積大約為橫向長(zhǎng)52m、縱寬15m(沿巷道走向方向?qū)捈s5m)、高40m。實(shí)測(cè)巷道與溶洞平面關(guān)系布置如圖1所示。

圖1 主平硐與溶洞相應(yīng)關(guān)系平面布置圖

溶洞內(nèi)多為大粒徑巖石，最大粒徑達(dá)4m，一般為0.5～2m，相互交錯(cuò)，沖刷擠壓堆積并以淤泥填充形成，且巷道走向經(jīng)過溶洞段巷頂上方嵌實(shí)有兩塊大型巖石(約長(zhǎng)×寬×厚=18m×7m×3m)。溶洞內(nèi)可見涌水量約為90m3/h，來(lái)源及流向情況不明。出水點(diǎn)、泄水孔均為小孔擠壓排放，雨季期間由于溶洞泄水孔較小無(wú)法滿足洪水自然排放，導(dǎo)致溶洞內(nèi)的蓄水量約為10000m3。

2 溶洞處理方案

2.1 需求原則

1)主平硐采用機(jī)軌合一布置，且為礦井生產(chǎn)主要運(yùn)輸大巷，使用年限長(zhǎng)，須保證巷道使用安全及工程質(zhì)量要求。

2)巷道設(shè)計(jì)底板位于溶洞填充物以上，其填充物為淤泥、砂層、粘土和風(fēng)化石灰?guī)r，該段施工難以形成正常掘進(jìn)模式。須通過強(qiáng)化處理使巷道頂部填充物保持穩(wěn)定，防止拱頂坍塌和過大沉降。

3)方案須滿足永久巷道結(jié)構(gòu)承載力、防變形、防水要求。通過處理，提高該處地層承載力和雨季溶洞積水抗壓能力[11]，以滿足巷道正常安全使用。

4)方案需保證礦井運(yùn)輸通暢，施工安全并節(jié)省投資。

2.2 力學(xué)模型

由于一礦主平硐工程在施工至巷道K0+660m處時(shí)工作面揭露一個(gè)有積水的特大溶洞，穿越溶洞巷道受到水壓力荷載，將會(huì)受到拉剪應(yīng)力，簡(jiǎn)化后力學(xué)模型如圖2所示[12-14]。

圖2 板型突水模型

2.3 處理方案

根據(jù)需求原則及簡(jiǎn)化力學(xué)模型擬定了以下四種方案：

1)方案一：維持主平硐現(xiàn)有斷面(凈寬6.2m)，通過鋪設(shè)實(shí)心板和聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的方式并采取30#工字鋼橋接保護(hù)井筒直接穿越溶洞。

2)方案二：減少主平硐斷面，將現(xiàn)有機(jī)軌合一主平硐分為運(yùn)輸巷(凈寬3.7m)、軌道巷(凈寬3.5m)，運(yùn)輸巷小斷面通過鋪實(shí)心板和聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的方式并采取30#工字鋼橋接保護(hù)井筒直接穿越溶洞。

3)方案三：維持主平硐現(xiàn)有斷面(凈寬6.2m)，通過鋪實(shí)心板和聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的方式并采取30#工字鋼橋接保護(hù)井筒直接過溶洞，即在方案一的基礎(chǔ)上同時(shí)為了雨水季節(jié)減少溶洞水壓對(duì)井筒的威脅，在溶洞內(nèi)出水口處布置排水平硐至地面，長(zhǎng)285m，排水平硐凈寬2.4m。

4)方案四：在方案二的基礎(chǔ)上同時(shí)為了雨水季節(jié)減少溶洞水壓對(duì)井筒的威脅，在溶洞內(nèi)出水口處布置排水平硐至地面，長(zhǎng)285m，排水平硐凈寬2.4m。

2.4 方案比選

2.4.1 方案初選

四個(gè)方案主要區(qū)別為穿越溶洞方式和溶洞排水的處理方案?？紤]到溶洞內(nèi)有大量積水，為防止雨季來(lái)臨對(duì)支護(hù)、井筒等有腐蝕甚至沖毀作用[15]，方案三、四較方案一、二增加了排水平硐和排洪溝。通過對(duì)水文地質(zhì)條件對(duì)比考察的綜合分析，結(jié)合實(shí)際計(jì)算測(cè)試溶洞的涌水量在排放能力和控制范圍之內(nèi)，并綜合施工效果和經(jīng)濟(jì)投入最終排除方案三、四，可為企業(yè)節(jié)約近300萬(wàn)成本。主平硐穿越溶洞各處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征見表1。

2.4.2 方案終選

在設(shè)計(jì)實(shí)施中根據(jù)規(guī)范要求制定了充分的排水安全措施后，選擇方案一、二進(jìn)行比較，方案一與方案二的主平硐與溶洞位置關(guān)系平面圖如圖3、圖4所示。

表1 主平硐穿越溶洞處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征

圖3 方案一：主平硐與溶洞位置關(guān)系平面圖(mm)

圖4 方案二：主平硐與溶洞位置關(guān)系平面圖(mm)

方案二軌道巷從上部掘進(jìn)過溶洞，距離溶洞上方巖石較近，施工難度較大且會(huì)對(duì)上覆巖層產(chǎn)生擾動(dòng)，動(dòng)載荷作用下可能會(huì)破壞巖石原有的平衡狀態(tài)進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)安全造成威脅。同時(shí)，方案二較方案一增加了巷道施工長(zhǎng)度，工期延長(zhǎng)；巷道有效斷面的減小，使排水溝渠的設(shè)計(jì)發(fā)生變化，排水難度增大。通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，綜合考慮施工效果、工期長(zhǎng)度和投資，溶洞的處理方案最終選定為方案一。由于巷道設(shè)計(jì)底板位于溶洞填充物之上，淤泥、砂層和風(fēng)化石灰?guī)r等使施工困難，該支護(hù)方式可使巷道頂部的填充物保持穩(wěn)定，有效地避免拱頂坍塌和過大變形沉降。

3 溶洞施工技術(shù)

3.1 溶洞處理措施

對(duì)方案一的具體實(shí)施要求如下：

1)裂隙段：對(duì)K0+653m～K0+658m錨噴段已掘巷道進(jìn)行擴(kuò)刷，采用“錨噴+防水層+鋼筋混凝土碹+鋼筋混凝土實(shí)心底板”支護(hù)。?20mm等強(qiáng)錨桿支護(hù)，間排距800mm×800mm，長(zhǎng)2.5m，噴厚100mm。鋼筋混凝土碹體支護(hù)，厚度600mm；鋼筋混凝土實(shí)心板支護(hù)，厚度650mm。

2)破碎段：巷道K0+658m至K0+669m、K0+672m至巷道延伸方向破碎段采用“U型鋼支架噴混凝土+防水層+鋼筋混凝土碹+鋼筋混凝土實(shí)心板+矸石充填底板”支護(hù)。29#U型鋼支架支護(hù)、縱向間距300mm，?20mm鋼筋縱向連接、環(huán)向間距@200mm；巖壁采用石棉瓦背板，噴厚200mm；鋼筋混凝土碹體支護(hù)，厚度600mm。鋼筋混凝土實(shí)心板支護(hù)，厚度650mm。矸石充填底板，巷道矸渣、厚度1000mm。

3)穿越溶洞段：對(duì)K0+ 669m 至 K0+672m段采用“U型鋼支架噴混凝土+防水層+鋼筋混凝土碹+鋼筋混凝土實(shí)心板+混凝土底板”支護(hù)。29U型鋼支架支護(hù)、縱向間距中至中300mm，?20mm鋼筋縱向連接、環(huán)向間距@200mm；巖壁采用石棉瓦背板，噴厚200mm，鋼筋混凝土碹體支護(hù)，厚度600mm；鋼筋混凝土實(shí)心板支護(hù)，厚度650mm；混凝土底板支護(hù)，厚度1000mm。

滿足永久巷道結(jié)構(gòu)的承載力、變形、防水要求。通過處理，有效地提高該處底層的承載力和溶洞雨季積水的壓力，以滿足巷道的安全正常使用。

3.2 安全技術(shù)措施

3.2.1 巖石擾動(dòng)

施工過程中減少對(duì)上方巖石的擾動(dòng)是處理重點(diǎn)，針對(duì)溶洞上方懸吊巖石對(duì)施工過程帶來(lái)的安全威脅以及今后井筒的保護(hù)，嚴(yán)格要求對(duì)破碎段裂縫、巷道頂?shù)装逡约皣鷰r進(jìn)行觀測(cè)，認(rèn)真記錄、檢查巷道來(lái)壓、下沉等現(xiàn)象。以防止頂部巖壁之間自然垮塌形成的巖石擾動(dòng)下滑。同時(shí)，采用厚度2～3m混凝土斜坡緩沖層，并在上部用砂袋碼砌一層細(xì)沙緩沖層，確保巷道支護(hù)不受上方巖石威脅。

3.2.2 水害威脅

1)該溶洞雨季時(shí)期蓄存大量積水，流量較大，該支護(hù)方案充分考慮了積水對(duì)巷道形成的壓力，制定嚴(yán)格方案以做好疏通排水工作，保證巷道在雨季的安全使用，待枯水季節(jié)再逐漸排放泄漏。

2)為防止溶洞壁、圍巖水對(duì)巷道的侵蝕，減少溶洞水對(duì)井筒的危害，設(shè)計(jì)對(duì)混凝土圍壁加以防水層。防水層位置改在U型支架內(nèi)側(cè)與鋼筋混凝土之間，進(jìn)行防水砂漿噴射支護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)為：SBS防水層，1∶2水泥砂漿噴射支護(hù)，噴厚75mm。由內(nèi)向外組織施工，在每一個(gè)搭接處重疊噴射1m，以防止出現(xiàn)漏縫現(xiàn)象，保證防水層施工質(zhì)量。

3)及時(shí)清理井筒過溶洞下方的淤泥及其它施工過程中產(chǎn)生的碎石，以保持過水通道的暢通。

3.2.3 支護(hù)強(qiáng)度

1)由于主平硐是礦井生產(chǎn)的主要運(yùn)輸大巷，為保證支護(hù)強(qiáng)度能達(dá)到永久性支護(hù)要求，保證工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全。須對(duì)巷道輪廓線以外的溶腔及巖縫空洞注漿充填加固，防止懸空時(shí)間過長(zhǎng)以及坍塌對(duì)拱頂支護(hù)撞擊毀壞支護(hù)效果，保證支護(hù)質(zhì)量。對(duì)裂隙帶進(jìn)行擴(kuò)刷，擴(kuò)刷完成后采取錨噴支護(hù)。

2)為確保鋼筋混凝土的完整性與連續(xù)性，鋼筋混凝土的施工在二次成巷之后一次性澆灌成型。巷道底板基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土橋接方式搭于巷道前進(jìn)方與后退方穩(wěn)定基巖上，實(shí)心底板基礎(chǔ)與碹體混凝土間的連接采用預(yù)埋鋼筋與碹體內(nèi)鋼筋骨架焊接于內(nèi)，使底板與碹體形成整體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在處理中使用混凝土強(qiáng)度統(tǒng)一為C25標(biāo)準(zhǔn)，所有施工用混凝土都按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)采用機(jī)械攪拌；所有工字鋼骨架滿焊；對(duì)所有保護(hù)井筒的30#工字鋼采用防腐處理[16]。

3.2.4 爆破安全

該段工程位于斷層帶、巖石較軟且破碎。在該工程的爆破設(shè)計(jì)中，由于其巖性的特殊性，須合理設(shè)計(jì)周邊部位的鉆眼和裝藥量，保證良好的成型，盡可能減少對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)破壞作用，維護(hù)了巷道輪廓線以外圍巖的原始狀態(tài)。在過溶洞前后20m范圍內(nèi)統(tǒng)一放小炮施工，同時(shí)在過溶洞時(shí)制定了一系列的安全保護(hù)措施，成功地避免了因爆破震動(dòng)而導(dǎo)致的溶洞上方巖石垮落發(fā)生安全事故。

3.3 應(yīng)用效果

在外界載荷環(huán)境發(fā)生顯著變化期、工程出現(xiàn)異常期等需對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行深入綜合分析，排除安全隱患，并根據(jù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)未來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)工程現(xiàn)場(chǎng)施工。在一礦主平硐穿越特大型溶洞施工及運(yùn)營(yíng)期，主要進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)、巖溶水排水情況觀測(cè)等。

3.3.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)

需要對(duì)頂板的沉降、圍巖壁面間的變形速率、變化距離等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)估溶洞的支護(hù)效果以及圍巖的穩(wěn)定性，并且依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖進(jìn)行分區(qū)處理，對(duì)可能產(chǎn)生破壞的區(qū)域進(jìn)行預(yù)支護(hù)處理等防控措施。

該工程主要對(duì)溶洞區(qū)域斷面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，其中，斷面拱頂沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可知，初期支護(hù)在完成后第10天沉降量趨于穩(wěn)定，10～20d變形速率減小，20～50d基本無(wú)沉降。

圖5 斷面拱頂沉降量與時(shí)間的關(guān)系

3.3.2 巖溶水排水情況觀測(cè)

需要對(duì)巖溶區(qū)域巖溶水排水效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，關(guān)注最大排水量、巖溶水疏導(dǎo)、封堵是否符合設(shè)計(jì)要求，在天氣下雨，雨水較多期監(jiān)測(cè)效果更佳，需逐一查看各溶洞排水通道暢通情況、排水水位情況、泥沙等沉積情況。通過近五年對(duì)巖溶水觀測(cè)，該溶洞最大排水水位小于設(shè)計(jì)的50%，溶洞處理措施是得當(dāng)?shù)?，滿足設(shè)計(jì)要求，可以保證施工安全。

4 結(jié) 論

文家壩一礦在主平硐工程中發(fā)現(xiàn)特大型溶洞，通過組織勘查，掌握了充分的水文地質(zhì)資料。經(jīng)過多方論證選擇合適的處理方案，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，靈活運(yùn)用聯(lián)合支護(hù)，對(duì)主平硐穿越溶洞的處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為今后類似的工程問題提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

1)分析了文家壩一礦主平硐穿越溶洞處理需求原則，制定了四種方案，根據(jù)計(jì)算巷道長(zhǎng)度、施工過程遇到的難點(diǎn)問題、經(jīng)濟(jì)投入等因素，最終選出適合文家壩一礦主平硐穿越特大型溶洞的處理方案。

2)對(duì)裂隙段、破碎段及穿越溶洞段聯(lián)合支護(hù)方式處理，通過鋪設(shè)實(shí)心板和聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)，并采取30#工字鋼橋接保護(hù)井筒的方式穿越特大型溶洞，選用75mm噴厚的SBS防水層以規(guī)避水害對(duì)巷道的侵蝕，針對(duì)上方孤石，使用3m的混凝土斜坡緩沖層，并在上方用沙袋碼砌細(xì)沙緩沖層。

3)為保障主平硐安全穩(wěn)定性，分析了巖石擾動(dòng)、水害威脅、支護(hù)強(qiáng)度及爆破等對(duì)其影響，并給出了相應(yīng)控制措施。