下穿排洪溝谷的淺埋深大巷支護與防水技術研究

韓 勇

（山西中能華信礦業(yè)技術有限公司，山西 太原 030000）

1 概況

山西煤炭運銷集團同富新煤業(yè)有限公司礦井北回風大巷、北輔助運輸大巷和北膠帶運輸大巷呈西南～東北向即將從土崖底村南溝道（以下稱“土崖底溝”）下方穿過。經(jīng)測量其巷道頂部距離土崖底溝底部僅有7～8 m 左右。土崖底溝由南向北排洪，溝口處建有村村通漫水道路，未建有箱（管）涵，路基阻塞了溝內(nèi)排水，蓄滯了來水，壅高了水位。

由于三條大巷正位于土崖底溝下方，且埋深較淺，雨季土崖底溝小流域地表水匯集到溝谷，積水會慢慢滲入地下，且積水懸頂于大巷掘進工程之上，對大巷掘進與大巷使用均構成威脅。為排除上述安全隱患，需對該段巷道加強支護，并對地面排洪溝進行治理。

2 三條大巷層位與其圍巖情況

北翼膠帶大巷、回風大巷、輔助運輸大巷沿10號煤層頂板布置，下穿地表土崖底溝的一段大巷長度大約6 m，巷道頂板基巖為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）K2 灰?guī)r，平均厚度7～8 m。該段10 號煤層平均厚度約2.5 m，底板為泥巖厚度約4.3 m。10 號煤層頂?shù)装鍘r石物理力學試驗成果見表1。

表1 10 號煤層頂?shù)装鍘r石物理力學試驗成果表

分析上述大巷層位與巷道圍巖情況，根據(jù)《我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》，巷道的圍巖穩(wěn)定性分類結果為：穩(wěn)定（Ⅱ類）[1]。

3 初步擬定的支護方案

3.1 基本支護形式

下穿溝谷段北翼輔助運輸大巷為半圓拱巷道，依據(jù)地質(zhì)報告、現(xiàn)場調(diào)研及工程類比并參照“北輔助運輸大巷掘進工作面作業(yè)規(guī)程”，初步擬定的基本支護形式為：29U 型鋼棚+金屬網(wǎng)+噴漿支護，該“作業(yè)規(guī)程”中非下穿溝谷段巷道其29U 型鋼棚排距為1.0 m。

3.2 U 型鋼排距

依據(jù)《煤礦巷道斷面和交岔點設計規(guī)范》第7章“表7.2.3：煤層回采巷道金屬支架類型與支護參數(shù)”，當巷道圍巖穩(wěn)定性級別為穩(wěn)定（Ⅱ類）時，對應的棚梁排距0.8 m[2]。因此對北翼輔助運輸大巷下穿溝谷段巷道進行加強支護，將其29U 型鋼棚排距調(diào)整為0.8 m。

4 北輔助運輸大巷計算模型

4.1 建立模型

采用FLAC3D6.0 數(shù)值模擬軟件建立三維地質(zhì)力學模型，開挖后的巷道采用29U 型鋼進行支護，對支護前后巷道的頂板、底板及地表的沉降變形進行模擬計算。具體地質(zhì)參數(shù)為：拱形巷道寬5.0 m，高3.0 m，拱高2.5 m，29U型鋼間距為0.8 m，寬度為0.20 m，厚度0.016 m。頂板K2 石灰?guī)r高7.5 m，偽頂泥巖0.5 m，10 號煤層厚2.5 m，底板泥巖（砂質(zhì)泥巖）厚10.5 m。

建立的模型尺寸：長× 寬× 高=40 m×3 m×21 m，選取中間三架29U 型鋼進行支護模擬，從上到下依次為K2 石灰?guī)r7.5 m，偽頂泥巖0.5 m，10 號煤層2.5 m，底板泥巖（砂質(zhì)泥巖）共10.5 m。模型4 個側面為固支約束，底部為鉸支約束，上表面為自由約束，整個模型只受到自重的影響?；?guī)r、泥巖和煤層均采用摩爾庫倫模型，29U 型鋼采用線彈性模型。

4.2 基本力學參數(shù)（表2）

表2 基本力學參數(shù)

4.3 初始平衡

圖2 為三維地質(zhì)力學模型在自重的情況下，達到初始靜力平衡狀態(tài)的應力云圖及最大不平衡力曲線圖。本次模擬中巷道在開挖后用29U 型鋼進行支護，對巷道支護前后頂板中心、底板中心、地表中心進行了位移監(jiān)測，其監(jiān)測點布置區(qū)域為圖2 中黑色五角星所在位置。同時，獲取了巷道支護前后的位移云圖，對支護前后的模擬結果進行了對比。

圖2 應力初始平衡

4.4 位移云圖

圖3、圖4 為巷道支護前后垂直位移云圖，巷道在得到支護后，垂直位移減小一個數(shù)量級，巷道頂板、底板及兩幫更加的穩(wěn)定，不會發(fā)生頂板冒落、底鼓和片幫，地表出現(xiàn)微小變形，可忽略不計。巷道未支護時，巷道底板發(fā)生了向上突起，最大位移為0.179 mm，位于底板中部，而巷道頂板發(fā)生了下沉，最大位移為0.325 mm，位于頂板中部。巷道支護后，巷道底板最大位移為0.003 mm，位于底板中部，頂板最大下沉值為0.07 mm，位于頂板中部。因此，采用29U 型鋼進行支護，有助于巷道的整體穩(wěn)定性和減小地表的沉降變形。

圖3 巷道未支護垂直位移云圖

圖4 巷道支護后垂直位移云圖

4.5 垂直位移曲線

由圖5 可知，隨著時間的增加，頂板位移逐漸增大，最后保持穩(wěn)定。可以看到，支護以后隨著時間的增加，頂板的垂直位移減小，由0.159 mm 減小到0.0749 mm。因此，采用29U 型鋼進行支護，對巷道頂板的沉降變形起到一定抑制變形作用，使得頂板更加穩(wěn)定。

圖5 巷道支護前后頂板垂直位移曲線圖

由圖6 可以清楚地看到：隨著時間的增加，地表中心處的變形逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。支護前，地表中心處最大垂直位移為0.134 mm，支護后最大垂直位移為0.066 8 mm，地表變形更小，更加穩(wěn)定。

圖6 巷道支護前后地表垂直位移曲線圖

4.6 數(shù)值模擬結論

通過數(shù)值模擬計算可以得到以下結論：對下穿土崖底溝的寬5.0 m、高3.0 m、拱高2.5 m 的拱形北翼輔助運輸大巷，采用U 型鋼棚加強支護后，巷道頂板、底板、巷幫以及地表的沉降變形明顯減小，變形量大約降低一個數(shù)量級，有效控制巷道圍巖變形和地表變形，維護了巷道穩(wěn)定。

可以確定，淺埋深大巷雖然距離地表排洪溝較近，但巷道采用上述方式加強支護后，無地表溝谷塌陷沉降造成積水突入井下的危險。

5 地表排洪溝治理

為防止排洪溝谷中的地表來水滲入巷道，應疏通地表排水通道，做有效的防滲措施。

北回風大巷、北輔助運輸大巷和北膠帶運輸大巷范圍內(nèi)地表溝道進行疏浚，按照地形地勢情況，于溝底～左岸道路側清表開挖約1 m，回填夯實三七灰土60 cm，起到防滲作用。三七灰土上方修建40 cm 厚M10 漿砌石排洪渠，其過水斷面擬定為底寬2 m，深1 m，邊坡1:1。土崖底溝口處拆除原道路，重建排水涵，保障排水通暢。

6 結語

通過對巷道圍巖進行分類，初步擬定巷道支護方案。通過數(shù)值模擬對擬定的巷道加強支護方案進行驗證計算，對淺埋深下穿溝谷巷道段進行加強支護，并設置地面排洪溝治理方案，上下結合，消除了地表水對井下巷道滲水與透水的安全隱患。