廢棄露天采坑回填對井工巷道穩(wěn)定性的影響分析

李鳳明，藍 航，韓科明，韓 震

(1.煤炭科學研究總院 土地整治與生態(tài)修復研究院，北京 100013；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

0 引 言

青海省木里煤田位于祁連山南麓腹地，黃河重要支流大通河源頭，是祁連山區(qū)域水源涵養(yǎng)地和我國生態(tài)安全屏障的重要組成部分，具有極為重要的生態(tài)地位。經過多年煤炭開采后形成的露天采坑、渣山和工業(yè)場地導致木里礦區(qū)的水、土地和植被資源均遭到了不同程度的破壞，由此引發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。2020年，木里煤田啟動了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境恢復治理工作。江倉礦區(qū)位于木里煤田的東部，江倉一號礦自20世紀70年代初開始進行煤炭開采，淺部采用露天開采，深部進行井工開采。在對江倉一號礦露天采坑進行回填治理的過程中，發(fā)現(xiàn)了采坑回填可能會對采坑下方淺埋深井工巷道穩(wěn)定性產生影響的問題。雖然目前井工礦已停工，但井工礦中仍有大量的設備，井工巷道的穩(wěn)定性直接關系到井工礦人員及設備出入的安全，保證井工巷道的穩(wěn)定性十分重要。井工巷道受露天采坑回填影響問題的實質是回填體產生的附加應力對原已處于應力平衡狀態(tài)巷道的2次擾動。相關學者對地面建/構筑物產生的附加應力及其對地下空間包括采空區(qū)及巷道的影響進行了研究[1-6]。露天采坑回填時采用各種車輛進行回填體運輸、卸載、推覆等工藝也會對淺埋巷道產生擾動影響，有些學者對施工方式與施工車輛載荷對地基、地下管道、淺埋隧道等的影響進行了研究[7-15]。井工巷道具有一定自承載能力，一些學者對巷道圍巖破壞、冒落拱和平衡拱高度、外來擾動和巷道穩(wěn)定性進行了研究[16-20]。目前專門針對露天采坑回填對其下淺埋井工巷道穩(wěn)定性影響的研究較少，露天采坑回填除了帶來回填體的靜載和施工車輛及其動載對井工巷道的影響，回填后采坑由于地勢原因積水，水體載荷和地表水與井下間的水力聯(lián)系對巷道穩(wěn)定性的影響也不容忽視。

筆者通過對露天采坑回填時不同載荷形成附加應力的計算，根據(jù)附加應力影響深度和巷道極限承載高度的關系對露天采坑下井工巷道穩(wěn)定性進行分析，得到巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)的條件和范圍，并給出保證巷道穩(wěn)定的技術措施。

1 研究區(qū)概況

江倉一號礦海拔高度+3 670～+3 815 m，屬于高寒高海拔地區(qū)，目前地面已形成了最大深度約120 m，坑口面積約70.2萬 m3，容積約2 727萬 m3的露天采坑，采坑下方是井工礦一區(qū)段的準備巷道系統(tǒng)。井工礦開拓方式為斜井多水平片盤開拓，設主、副、風3條井筒，井下一水平標高為+3 450 m。井下巷道與采坑回填體位置關系平面如圖1所示，沿一區(qū)段回風石門做傾向剖面Ⅰ—Ⅰ和走向剖面Ⅱ—Ⅱ如圖2所示。圖中顯示距離采坑底部最近的有3條巷道：一區(qū)段回風斜巷、+3 650運輸石門和+3 650軌道石門。一區(qū)段回風斜巷距離地表采坑最近處只有27.07 m。一區(qū)段回風斜巷、+3 650運輸石門和+3 650運輸石門斷面都為半圓拱，現(xiàn)有支護方式為錨網噴支護。

圖1 井下巷道與采坑回填位置關系平面圖

圖2 井下巷道與采坑回填位置關系剖面圖

2 回填體載荷

采坑回填后，將在其下方巖土體中產生附加應力。附加應力是在外載荷(回填體)作用下產生的應力增量。巷道開挖和支護后，已經達到初始平衡狀態(tài)，在附加應力作用下，初始平衡狀態(tài)有可能被破壞，從而導致巷道失穩(wěn)。

采用法國數(shù)學家布辛奈斯克運用彈性力學推出的豎向集中力在彈性體內任一點所引起的應力解析解，對回填體產生的附加應力進行求解。如圖3所示集中力作用模型，根據(jù)布辛奈斯克集中力作用下附加應力的解，可得到任意點的豎向應力的計算公式：

圖3 集中力作用模型

(1)

式中，σz為M點的豎向附加應力；F為集中力；r為M點與集中力作用點的水平距離，r2=x2+y2；z為M點的豎向深度，z≥0。

矩形面積均布載荷作用下回填體附加應力計算利用式(1)進行積分求解，如圖4所示，計算矩形面積均布載荷p0作用下的附加應力如式(2)所示：

圖4 矩形面積均布載荷作用下的附加應力

(2)

式中，p0為均布載荷；l為矩形面積的長度；b為矩形面積的寬度。

考慮更一般的情況，對矩形平面下任一點M，深度為z，如圖5所示，在平面上的投影為O。平面圖分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個矩形。

圖5 矩形面積示意

按式(2)可列出M點的附加應力如(3)所示。

(3)

分析式(3)，可得到矩形平面均布載荷下矩形平面中心點處。

即bx=1b/2，ly=1l/2位置處的豎向附加應力最大，最大附加應力為

(4)

其中，

p0=γsHs

(5)

式中，γs為回填體密度，根據(jù)回填體材料類型取1 800 kg/m3；Hs為回填體高度。

3 車輛載荷

車輛載荷作用在地表路面，產生的載荷來源于2部分。一部分是車輛自重產生的靜態(tài)載荷，另一部分是車輛行駛過程中，軸承轉動導致車輪作用路面的車輛載荷。

按《公路工程技術標準》(JTG B01—2019)中對車輛載荷的處理方法，將車輛載荷簡化為移動恒載+沖擊載荷。先將車輛載荷簡化為靜載荷(恒載)，假定車輛載荷按規(guī)范規(guī)定分配到各個車軸(三軸)，車輪作用在路面上的力為集中力，具體計算簡圖如圖6所示。

圖6 車輛載荷集中分布示意

如圖6所示，M點總的豎向附加應力為

σzM=σz(MO)+σz(MA)+σz(MB)+σz(MC)+σz(MD)+σz(ME)

(6)

式中，σzM為車輛載荷在M點引起的豎向附加應力；σz(MO)，σz(MA)，σz(MB)，σz(MC)，σz(MD)分別為O～E處的集中載荷在M點產生的豎向附加應力，可根據(jù)式(1)分別求出。

圖6中給出的是三軸載重汽車模型，x1和x2分別為車輛前中軸距和中后軸距，y0為輪距。

根據(jù)現(xiàn)場施工車輛型號，F(xiàn)=920 kN，x1=3.8 m，x2=1.5 m，y0=2.7 m。

由式(6)計算得出的是車輛載荷產生的靜附加應力，按相關規(guī)范，動附加應力可由靜附加應力乘一沖擊系數(shù)得出：

(7)

則車輛產生的最大附加應力可表示為

σzM，max=(1+μ)σzM

(8)

4 采坑蓄水

4.1 蓄水載荷

回填后，預計采坑內積水最終標高為+3 772 m?？紤]回填體上方水體按其深度產生的自重加到巷道覆巖上，此時，

p0=γsHs+γwHw

(9)

其中，γw為水體密度，取1 000 kg/m3；Hw為水體高度。再按式(4)計算總的附加應力。

4.2 地面井下水力聯(lián)系

回填后采坑逐漸蓄水，采坑水可通過回填體和覆巖內的水力聯(lián)系通道進入井下并可能對巷道穩(wěn)定性造成一定影響。

研究區(qū)地下水類型主要可分為2類。①為第4系含水層，即多年凍土層以上的第4系及季節(jié)性凍土層，含水層為砂土礫石層、粉砂巖、細砂巖；②為基巖裂隙含水層，主要分布在多年凍土層以下，含水層以砂巖、細砂巖裂隙水為主。第4系主要為砂土礫石層，整體透水性較好。由于研究區(qū)位于多年凍土分布區(qū)，地表水排泄條件良好，大氣降水或洪水期對礦床充水的影響很小。冷季時，采坑中的水以及地表以下一定范圍內第4系處于凍結狀態(tài)形成隔水層，無法入滲到井下；暖季時，季節(jié)性凍土融化使第4系成為完全開放的透水層，江倉河水成為采坑水的主要補給來源。江倉河水補給進入采坑的水量、水質與井工礦井排水量基本持平，說明研究區(qū)主要補給源為江倉河水，通過江倉河侵蝕融區(qū)的基巖裂隙從采坑坡面排出并通過采坑和井下巷道之間覆巖中的水力聯(lián)系通道到達井下。根據(jù)井工礦實測資料，礦井涌水量為86 m3/h，礦井涌水量很小，礦井水文地質類型屬簡單類型，地面與井下水力聯(lián)系弱。

回填后，采坑水體至巷道的距離隨回填體高度而增大，采坑水必須通過回填體和覆巖內的水力聯(lián)系通道才能進入井下，在氣候條件和地質條件都不變的情況下，可以預測，礦井涌水量跟回填前相比不會有明顯變化，地面井下的水力聯(lián)系對巷道穩(wěn)定性的影響沒有加劇。

5 巷道穩(wěn)定性評價

5.1 評價方法

根據(jù)附加應力隨深度變化的規(guī)律，當附加應力為該點自重應力的10%時，可認為附加應力不再對巷道產生影響，此時的深度為附加應力的影響深度Ha。如圖7所示，為使巷道保持穩(wěn)定，附加應力的影響深度Ha和巷道極限承載高度Hb之和應小于采坑回填前的巷道頂板埋深(覆巖厚度)H，即：H≥Ha+Hb。

圖7 附加應力影響深度及巷道極限承載高度示意

對于淺埋巷道極限承載高度Hb，可根據(jù)土力學極限平衡理論求出。

如圖8所示，頂板巖塊bcde在重力G的作用下產生沉降，兩邊的楔形體abc和def也對其施加水平力P。巷道實際承載力Q為

圖8 巷道覆巖極限平衡示意

Q=G-2Ff

(10)

當Q=0時，頂板上方巖層的重力恰好能保持自然平衡而不遭受破壞，此時Hb為巷道的極限承載高度。

G=2Ff

(11)

G=γbHb

(12)

式中，b為巷道寬度；γ為覆巖容重。

根據(jù)土力學理論，摩阻力Ff由被動土壓力P乘以摩擦因數(shù)計算，被動土壓力按如圖8所示的三角形面積計算。

(13)

式中，Ka為被動土壓力系數(shù)；φ為土體內摩擦角。

Ka=tan2(45°-φ/2)

(14)

聯(lián)立式(11)—式(14)，求得：

Hb=b/[(tanφ)tan2(45°-φ/2)]

(15)

一區(qū)段回風石門及斜巷的寬度b為3.3 m，+3 650運輸石門、+3 650軌道石門的寬度分別為3.2,3.4 m，內摩擦角φ取30°，計算得到一區(qū)段回風石門及斜巷的極限承載高度為17.15 m，+3 650膠帶石門的極限承載高度為16.63 m，+3 650軌道石門的極限承載高度為17.67 m。

5.2 評價位置

將巷道(一區(qū)段回風斜巷)上方回填體簡化為矩形面積載荷，考慮不利情況(巷道距離原采坑剖面線最近)，如圖9所示，在Ⅰ—Ⅰ剖面圖上選取A、B、C、D、E、F、G、H八個點。選擇依據(jù)如下：A點是一區(qū)段回風斜巷的變坡點，在A點以前，地表由坑底起坡，覆巖厚度逐漸增大。在A點以后，隨著A點下方回風斜巷開始起坡，覆巖厚度逐漸減小，地表回填體的影響隨之增大。在H點之后，隨坑底坡度急劇增大，覆巖厚度也隨之增大。如圖10所示，在東西向剖面圖上選取I、J、K三個點。采用式(4)和(7)計算回填體及車輛載荷產生的最大附加應力隨深度變化情況。

圖9 Ⅰ—Ⅰ采坑回填后剖面圖

圖10 Ⅱ—Ⅱ采坑回填后剖面圖

5.3 評價結果

考慮到回填后采坑內積水需要一定時間才能達到預計標高，先按“回填體+車輛載荷”計算的最大附加應力影響深度及巷道穩(wěn)定狀態(tài)見表1。

由表1，雖然一區(qū)段回風斜巷能保持整體穩(wěn)定，但局部D點、E點和I點的安全覆巖厚度不足1 m。

表1 考慮回填體和車輛載荷時巷道穩(wěn)定狀態(tài)

考慮回填后采坑最終積水到+3 772 m標高，按“回填體+車輛+水體載荷”計算的最大附加應力影響深度及巷道穩(wěn)定狀態(tài)見表2。

表2 考慮回填體、車輛和水體載荷時巷道穩(wěn)定狀態(tài)

由表2，考慮水體載荷后，一區(qū)段回風斜巷在A點和H點之間都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D7.0對回填前、后和采坑積水條件下巖體破壞區(qū)進行了模擬，模型如圖11所示。巷道考慮支護條件，采用pile結構單元進行支護模擬。采坑積水載荷按照水體在回填體和坡體上方的高度產生的水壓施加地表邊界條件，如圖11c所示。圖12為模擬得到的回填前、回填后和采坑積水條件下巖體破壞區(qū)分布情況。如圖12所示，回填前，巷道覆巖在起坡后55 m范圍出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)高度沒有波及到地表；回填后的巷道覆巖塑性區(qū)范圍和高度增加，但仍然沒有到達地表；回填地表積水后，巷道覆巖塑性區(qū)水平范圍進一步增加到約60 m，回填體的破壞深度與覆巖破壞高度幾乎溝通，巷道具有失穩(wěn)風險，與理論計算的結論相符。需要采取措施保證井工巷道安全。

圖11 采坑回填前后數(shù)值計算模型

圖12 采坑回填前后巷道覆巖破壞狀況

5.4 安全措施

采坑回填施工過程中，回填的區(qū)域、方向、回填的厚度及層次都會對下部井工巷道產生擾動作用，施工不當可能產生不均勻應力、偏應力、應力集中等對巷道穩(wěn)定不利的影響。如圖13所示，將地面回填區(qū)域按照對應地下井巷區(qū)域劃分為4個分區(qū)(回填區(qū)域1、回填區(qū)域2、回填區(qū)域3、回填區(qū)域4)，每個區(qū)域進行分層回填，為了使回填壓力逐漸對稱施加到井巷頂部，采用雙向對稱回填，在分區(qū)分層雙向對稱回填過程中，首先采用較緩的邊坡角度進行推進覆蓋，慢慢推進到井工區(qū)域，再逐步回填到設計標高+3 705 m，使基底應力逐漸加大到最終狀態(tài)。

圖13 地面回填分區(qū)及回填方向

在井下巷道采用注漿錨索進行加強支護，根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬結果，加強支護范圍為一區(qū)段回風斜巷起坡后水平投影長度60 m范圍，如圖14所示。

圖14 巷道加強支護段范圍

6 結 論

1)露井聯(lián)合礦區(qū)露天采坑回填會對其下方淺埋巷道的穩(wěn)定性產生影響，主要影響因素包括：回填體載荷、車輛載荷和水體載荷。

2)采用彈性力學計算了回填體載荷、車輛載荷和水體載荷產生的最大附加應力，以最大附加應力達到自重應力10%時的深度作為附加應力影響深度；采用極限平衡理論計算了巷道極限承載覆巖高度。

3)通過比較最大附加應力影響深度與巷道極限承載覆巖高度之和與實際覆巖厚度的大小，評價了巷道不同位置處的穩(wěn)定性。

4)根據(jù)穩(wěn)定性評價和數(shù)值模擬結果，確定了地面回填保護巷道范圍和井下巷道加強支護范圍，提出了地面分區(qū)分層雙向對稱回填和井下錨注加強和監(jiān)測相結合的巷道保護方法。