文家坝一矿主平硐穿越特大型溶洞设计方案研究.pdf

煤炭工程 第 52 卷第 7期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 7 do i 10. 11799/c e202007008 文家坝一矿主平碣穿越特大型溶洞设计方案研究 陈明，田明富 贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州贵阳550025 摘 要为了解决文家坝一矿主平硯掘进至Ko 66Om处遇特大型溶洞的施工难题，通过对溶 洞大小范围、水文地质等情况的详细勘察，提出四种处理方案并进行相互比较，最终选择维持主平 碉设计断面。通过铺设实心板和联合加强支护，并采取30*工字钢桥接保护井筒的方式穿越特大型 溶洞，选用75mm喷厚的SBS防水层以规避水害对巷道的侵蚀，针对上方孤石，使用3m的混凝土 斜坡缓冲层，并在上方用沙袋码砌细沙缓冲层。自竣工使用至今，安全技术措施切实有效，巷道安 全与稳定，经济效益显著。 关键词主平嗣；特大型溶洞；联合加强支护；积水压力；悬石垮落 中图分类号TD353 文献标识码A 文章编号1671-0959202007-0032-05 Design scheme for main adit of Wenjiaba No. 1 Mine crossing an extra-large karst cave CHEN Min g, TIAN Min g-f u Gu izh o u Co a l Min e Design Resea r c h In st it u t e Co . , Lt d . , Gu iy a n g 550025 , Ch in a Abstract No . 1 Min e o f Wen jia ba w a s c a u gh t in a n ex t r al a r ge k a r st c a v e w h en t h e ma in a d it d r o v e t o Ko 660m. Th r o u gh d et a il ed in v est iga t io n o f t h e r a n ge a n d h y d r o geo l o gic a l sit u a t io n o f t h e k a r st c a v e, f o u r so l u t io n s a r e pr o po sed . Th eir a d v a n t a ges a n d d isa d v a n t a ges a r e c o mpa r ed, a n d f in a l l y, it s d et er min ed t o ma in t a in t h e c u r r en t ma in a d it sec t io n by l a y in g so l id pl a t e a n d jo in t su ppo r t . 30* st eel I - bea m br id gin g is u sed t o pr o t ec t t h e sh a f t c r o ssin g t h e ex t r a 一 l a r ge k a r st c a v e. Mea n w h il e, 75mm t h ic k S BS w a t er pr o o f l a y er is by spr a y ed t o a v o id w a t er er o sio n o n t h e r o a d w a y . Aimin g a t t h e a bo v e bo u l d er , a 3m c o n c r et e bu f f er sl o pe is bu il t, w it h f in e sa n d bu f f er l a y er o f sa n d ba gs a r e d epl o y ed o n it a s. Fr o m c o mpl et io n o f t h e pr o jec t t o t h e pr esen t, sa f et y t ec h n ic a l mea su r es en su r e sa f et y a n d st a bil it y o f t h e r o a d w a y, t h e ec o n o mic ben ef it s o f sign if ic a n t . Keywords ma in a d it； ex t r a -l a r ge k a r st c a v e； jo in t r ein f o r c emen t su ppo r t ； po n d in g w a t er pr essu r e ； r o c k c a v in g 目前我国在公路、地铁、矿山等建设过程中往 往会遇到各种复杂岩溶问题，造成大量人员伤亡和 经济损失⑷。其中，喀斯特地区绝大部分地下工程 以岩溶水充水为主，因而地下工程充水具有不均匀、 量大、突发性较强等特点，在喀斯特地区建设矿井 过程中还存在瓦斯等灾害，矿井水害与瓦斯灾害等 复合叠加作用下将存在重大的安全隐患⑵。喀斯特 地区矿井建设还受到地下溶洞大小、形态发育特征 以及洞体围岩物理力学特性等因素影响[3-5],值得 深入研究探讨，特别是阐述喀斯特地区矿井巷道穿 越溶洞的文献还较为少见。因此，建立一套行之有 效、经济合理的巷道溶洞综合治理方案和体系是一 个亟待解决的重大难题⑷，开展喀斯特地区煤矿溶 洞处理研究，对指导煤矿安全生产有重要的理论与 实践意义⑴9。本文针对文家坝一矿溶洞特点，对 主平碉穿越溶洞支护方法及实践作一定探讨。 1溶洞概况 文家坝一矿位于贵州省毕节市织金县，矿井地 处黔西高原向黔中丘原的过渡地带，南部是卩28 AFQ断层，北部是F,AF,断层，内部断层、褶曲 繁多，地质构造较为复杂。织纳矿区处于多溶洞地 收稿日期2020-03-19 作者简介陈明1968,男，湖南长沙人，采矿高级工程师，现任贵州省煤矿设计研究院有限公司总工程师，主要 从事采矿设计与咨询工作，E-ma il 652536388qq.c o m。 引用格式陈 明，田明富.文家坝一矿主平碉穿越特大型溶洞设计方案研究[J].煤炭工程，2020, 527 32-36. 32 2020年第7期煤炭工程设计技术 带，属于典型的喀斯特地貌特征，大量的溶洞阻碍 着矿井建设，导致建设进度缓慢、工期延长、投资 增加，而且对安全工作造成很大的威胁。 文家坝一矿主平碉工程在施工至巷道Ko66Om 处时工作面揭露一个有积水的特大溶洞。根据地勘 资料知该溶洞为断层、地层交接复合带，溶洞体积 大约为横向长52m、纵宽15m（沿巷道走向方向宽约 5m）、高40m。实测巷道与溶洞平面关系布置如图1 所示。 一矿主平碣井口 图1主平嗣与溶洞相应关系平面布置图 溶洞内多为大粒径岩石，最大粒径达4m, 般 为0.52m,相互交错，冲刷挤压堆积并以淤泥填 充形成，且巷道走向经过溶洞段巷顶上方嵌实有两 块大型岩石（约长X宽x厚18mx7mx3m）溶洞内 可见涌水量约为90m3/h,来源及流向情况不明。出 水点、泄水孔均为小孔挤压排放，雨季期间由于溶 洞泄水孔较小无法满足洪水自然排放，导致溶洞内 的蓄水量约为10000m3 0 2溶洞处理方案 2.1需求原则 1） 主平碉采用机轨合一布置，且为矿井生产主 要运输大巷，使用年限长，须保证巷道使用安全及 工程质量要求。 2） 巷道设计底板位于溶洞填充物以上，其填充 物为淤泥、砂层、粘土和风化石灰岩，该段施工难 以形成正常掘进模式。须通过强化处理使巷道顶部 填充物保持稳定，防止拱顶坍塌和过大沉降。 3） 方案须满足永久巷道结构承载力、防变形、 防水要求。通过处理，提高该处地层承载力和雨季 溶洞积水抗压能力⑴］,以满足巷道正常安全使用。 4） 方案需保证矿井运输通畅，施工安全并节省 投资。 2.2力学模型 由于一矿主平碉工程在施工至巷道K 660m处 时工作面揭露一个有积水的特大溶洞，穿越溶洞巷 道受到水压力荷载，将会受到拉剪应力，简化后力 学模型如图2所示⑷。 岩溶水一＞ 压力一 巷道纵断面 隔水 “ 岩板 施工方向 （b）板型工作面端头 图2板型突水模型 2. 3处理方案 根据需求原则及简化力学模型拟定了以下四种 方案 1） 方案一维持主平碉现有断面（净宽6. 2m）, 通过铺设实心板和联合加强支护的方式并采取30*1 字钢桥接保护井筒直接穿越溶洞。 2） 方案二减少主平嗣断面，将现有机轨合一 主平嗣分为运输巷（净宽3.7m）、轨道巷（净宽 3.5m）,运输巷小断面通过铺实心板和联合加强支 护的方式并采取30*工字钢桥接保护井筒直接穿越 溶洞。 3） 方案三维持主平爾现有断面（净宽6.2m）, 通过铺实心板和联合加强支护的方式并采取30*工字 钢桥接保护井筒直接过溶洞，即在方案一的基础上 同时为了雨水季节减少溶洞水压对井筒的威胁，在 溶洞内出水口处布置排水平碉至地面，长285m,排 水平碉净宽2. 4mo 4） 方案四在方案二的基础上同时为了雨水季 节减少溶洞水压对井筒的威胁，在溶洞内出水口处布 置排水平碉至地面，长285m,排水平碉净宽2.4m。 2.4方案比选 2. 4. 1方案初选 四个方案主要区别为穿越溶洞方式和溶洞排水 的处理方案。考虑到溶洞内有大量积水，为防止雨 季来临对支护、井筒等有腐蚀甚至冲毁作用［⑸，方 案三、四较方案一、二增加了排水平碉和排洪沟。 通过对水文地质条件对比考察的综合分析，结合实 际计算测试溶洞的涌水量在排放能力和控制范围之 内，并综合施工效果和经济投入最终排除方案三、 四，可为企业节约近300万成本。主平碉穿越溶洞 各处理方案技术经济特征见表lo 2. 4.2方案终选 在设计实施中根据规范要求制定了充分的排水安 33 设计技术煤炭工程2020年第7期 全措施后，选择方案一、二进行比较，方案一与方案 二的主平碉与溶洞位置关系平面图如图3、图4所示。 表1主平硯穿越溶洞处理方案技术经济特征 名称巷道名称计算长度/m优点缺点投资/万元 方案一主平碉42. 582 投资较省；工期较短；运输畅 通；便于管理 井筒大断面过溶洞.施工困难且溶洞水对 井筒影响较大 199. 46 方案二 运输巷 轨道巷 42. 582 114.562 小断面穿过溶洞；施工较容易； 溶洞对井筒威胁程度相对较小 轨道巷可能会遇到溶洞；井巷工程量较大， 投资较方案一大；且运输条件相对稍差 455. 95 方案三 主平碉 排水平嗣 排洪沟 42. 582 285 295 工期较短；运输通畅；同时减 小了溶洞水压对井筒的威胁 增加排水平碉和排洪沟，井巷工程量较大， 投资增加；管理不便 461. 18 方案四 运输巷 轨道巷 排水平嗣 排洪沟 42. 582 114. 562 285 295 小断面过溶洞，施工较易；溶 洞水压对井筒威胁程度较方案 一小 轨道巷可能会遇到溶洞；井巷工程量最大， 投资最大；且运输条件相对稍差，管理 不便 717. 67 方案二轨道巷从上部掘进过溶洞，距离溶洞上 方岩石较近，施工难度较大且会对上覆岩层产生扰 动，动载荷作用下可能会破坏岩石原有的平衡状态 进而对生产安全造成威胁。同时，方案二较方案一 增加了巷道施工长度，工期延长；巷道有效断面的 减小，使排水沟渠的设计发生变化，排水难度增大。 通过技术和经济比较，综合考虑施工效果、工期长 度和投资，溶洞的处理方案最终选定为方案一。由 于巷道设计底板位于溶洞填充物之上，淤泥、砂层 和风化石灰岩等使施工困难，该支护方式可使巷道 34 顶部的填充物保持稳定，有效地避免拱顶坍塌和过 大变形沉降。 3溶洞施工技术 3.1溶洞处理措施 对方案一的具体实施要求如下 1） 裂隙段对K（）653mKo 658m锚喷段已掘 巷道进行扩刷，采用“锚喷防水层钢筋混凝土 確钢筋混凝土实心底板”支护。020mm等强锚杆 支护，间排距800mm x 800mm,长2.5m,喷厚 100mmo钢筋混凝土確体支护，厚度600mm；钢筋 混凝土实心板支护，厚度650mmo 2） 破碎段巷道 K 658m 至 K 669m、Ko 672m至巷道延伸方向破碎段采用“U型钢支架喷混 凝土防水层钢筋混凝土瞪钢筋混凝土实心板肝 石充填底板”支护。29“U型钢支架支护、纵向间距 300mm, 0 20mm钢筋纵向连接、环向间距 200mm；岩壁采用石棉瓦背板，喷厚200mm；钢筋 混凝土禎体支护，厚度600mm。钢筋混凝土实心板 支护，厚度650mm。歼石充填底板，巷道肝渣、厚 度 lOOOmm。 3） 穿越溶洞段对Ko 669m至K0 672m段 采用“U型钢支架喷混凝土 防水层钢筋混凝土SI 钢筋混凝土实心板混凝土底板”支护。29U型钢 支架支护、纵向间距中至中300mm, 020mm钢筋 纵向连接、环向间距 200mm；岩壁采用石棉瓦背 板，喷厚200mm,钢筋混凝土確体支护，厚度 600mm；钢筋混凝土实心板支护，厚度650mm；混 凝土底板支护，厚度1000mm。 满足永久巷道结构的承载力、变形、防水要求。 2020年第7期煤炭工程设计技术 通过处理，有效地提高该处底层的承载力和溶洞雨 季积水的压力，以满足巷道的安全正常使用。 3.2安全技术措施 3.2. 1岩石扰动 施工过程中减少对上方岩石的扰动是处理重点， 针对溶洞上方悬吊岩石对施工过程带来的安全威胁 以及今后井筒的保护，严格要求对破碎段裂缝、巷 道顶底板以及围岩进行观测，认真记录、检查巷道 来压、下沉等现象。以防止顶部岩壁之间自然垮塌 形成的岩石扰动下滑。同时，采用厚度23m混凝 土斜坡缓冲层，并在上部用砂袋码砌一层细沙缓冲 层，确保巷道支护不受上方岩石威胁。 3. 2. 2水害威胁 1） 该溶洞雨季时期蓄存大量积水，流量较大， 该支护方案充分考虑了积水对巷道形成的压力，制 定严格方案以做好疏通排水工作，保证巷道在雨季 的安全使用，待枯水季节再逐渐排放泄漏。 2） 为防止溶洞壁、围岩水对巷道的侵蚀，减少 溶洞水对井筒的危害，设计对混凝土围壁加以防水 层。防水层位置改在U型支架内侧与钢筋混凝土之 间，进行防水砂浆喷射支护。标准为SBS防水层, 1 2水泥砂浆喷射支护，喷厚75mm。由内向外组 织施工，在每一个搭接处重叠喷射lm,以防止出现 漏缝现象，保证防水层施工质量。 3） 及时清理井筒过溶洞下方的淤泥及其它施工 过程中产生的碎石，以保持过水通道的畅通。 3. 2. 3支护强度 1） 由于主平碉是矿井生产的主要运输大巷，为 保证支护强度能达到永久性支护要求，保证工作人 员生命财产安全。须对巷道轮廓线以外的溶腔及岩 缝空洞注浆充填加固，防止悬空时间过长以及坍塌 对拱顶支护撞击毁坏支护效果，保证支护质量。对 裂隙带进行扩刷，扩刷完成后采取锚喷支护。 2） 为确保钢筋混凝土的完整性与连续性，钢筋 混凝土的施工在二次成巷之后一次性浇灌成型。巷 道底板基础采用钢筋混凝土桥接方式搭于巷道前进 方与后退方稳定基岩上，实心底板基础与確体混凝 土间的连接采用预埋钢筋与禎体内钢筋骨架焊接于 内，使底板与確体形成整体结构。同时，在处理中 使用混凝土强度统一为C25标准，所有施工用混凝 土都按规范标准采用机械搅拌；所有工字钢骨架满 焊；对所有保护井筒的30*工字钢采用防腐处理〔冏。 3.2.4爆破安全 该段工程位于断层带、岩石较软且破碎。在该 工程的爆破设计中，由于其岩性的特殊性，须合理 设计周边部位的钻眼和装药量，保证良好的成型， 尽可能减少对巷道围岩的扰动破坏作用，维护了巷 道轮廓线以外围岩的原始状态。在过溶洞前后20m 范围内统一放小炮施工，同时在过溶洞时制定了一 系列的安全保护措施，成功地避免了因爆破震动而 导致的溶洞上方岩石垮落发生安全事故。 3.3应用效果 在外界载荷环境发生显著变化期、工程出现异 常期等需对监测资料进行深入综合分析，排除安全 隐患，并根据监测资料对未来监测结果进行预测， 指导工程现场施工。在一矿主平爾穿越特大型溶洞 施工及运营期，主要进行围岩变形监测、岩溶水排 水情况观测等。 3. 3. 1围岩变形监测 需要对顶板的沉降、围岩壁面间的变形速率、 变化距离等进行监测，根据监测结果评估溶洞的支 护效果以及围岩的稳定性，并且依据监测结果对围 岩进行分区处理，对可能产生破坏的区域进行预支 护处理等防控措施。 该工程主要对溶洞区域断面进行了监测，监测 断面拱顶沉降量与时间的关系曲线，其中，断面拱 顶沉降量与时间的关系曲线如图5所示。从图5可 知，初期支护在完成后第10天沉降量趋于稳定， 1020d变形速率减小，2050d基本无沉降。 3.3.2岩溶水排水情况观测 需要对岩溶区域岩溶水排水效果进行监测，关 注最大排水量、岩溶水疏导、封堵是否符合设计要 求，在天气下雨，雨水较多期监测效果更佳，需逐 一査看各溶洞排水通道畅通情况、排水水位情况、 泥沙等沉积情况。通过近五年对岩溶水观测，该溶 35 设计技术煤炭工程 2020年第7期 洞最大排水水位小于设计的50,溶洞处理措施是 得当的，满足设计要求，可以保证施工安全。 4结论 文家坝一矿在主平碉工程中发现特大型溶洞， 通过组织勘查，掌握了充分的水文地质资料。经过 多方论证选择合适的处理方案，结合工程实际应用， 灵活运用联合支护，对主平碉穿越溶洞的处理经验 进行总结，为今后类似的工程问题提供了经验参考。 1 分析了文家坝一矿主平硯穿越溶洞处理需求 原则，制定了四种方案，根据计算巷道长度、施工 过程遇到的难点问题、经济投入等因素，最终选出 适合文家坝一矿主平碉穿越特大型溶洞的处理方案。 2 对裂隙段、破碎段及穿越溶洞段联合支护方 式处理，通过铺设实心板和联合加强支护，并采取 30*工字钢桥接保护井筒的方式穿越特大型溶洞，选 用75mm喷厚的SBS防水层以规避水害对巷道的侵 蚀，针对上方孤石，使用3m的混凝土斜坡缓冲层， 并在上方用沙袋码砌细沙缓冲层。 3 为保障主平碉安全稳定性，分析了岩石扰 动、水害威胁、支护强度及爆破等对其影响，并给 出了相应控制措施。 参考文献参考文献 [1] 范德友.某地下工程溶洞处理分析[D].广州华南理工 大学，2010. [2] 李悦.四川省华蓋山矿区龙滩煤矿岩溶突水特征与预测研 究[D].成都成都理工大学，2011. [3] 付博.昆明小哨机场航站楼区岩溶发育特征及地基稳定性 评价[D].成都成都理工大学，200 [4] Ma r sc h a l l in ger R. Th r ee-d imen sio n a l r e c o n st r u c t io n a n d v isu a l iza - t io n o f geo l o gic a l ma t er ia l s w it h I D Lex a mpl es a n d so u r c e c o d e [J]. Co mpu t er sa n d Geo sc ien c es, 2001, 274 419-426. [5] Win k l er C, Bo squ et F, Ca v in X, et a l . Design a n d Impl emen t a t io n o f a n Immer siv e Geo sc ien c e To o l k it [ C] // Visu a l iza t io n 99. Pr o c eed in gs. IEEE, 1999. [6] 郭 明.隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响规律及鄂西山区 岩溶处治技术研究[D].济南山东大学，2014. [7] 踞花花.喀斯特地区溶洞顶板稳定性分析[D].南京南 京理工大学，2019. [8] 杨孟达煤矿地质学[M].北京煤炭工业岀版社，2000. [9] 东兆星，吴士良.井巷工程[M].徐州中国矿业大学出 版社，2004. [10] 何坤.织金矿区巷道穿溶洞施工技术措施探讨[J].煤矿 现代化，2014, 1214 124-125. [11] 杨新华，马建，王果.舞阳铁山地下矿溶洞处理实践 [J].现代矿业，2015, 5502 204-205. [12] 李秀茹，郭恩栋，薛 帅，等.富水破碎带岩溶隧道突水模 型试验研究[J].自然灾害学报，2019, 282 101-108. [13] 李利平.高风险岩溶隧道突水灾变演化机理及其应用研究 [D].济南山东大学，2009. [14] 宋文成，梁正召，刘伟韬，等.采场底板破坏特征及稳定性 理论分析与试验研究[J].岩石力学与工程学报，2019, 38 11 2208-2218. [15] 郭相参，陈霄鹏.金属矿巷道溶洞处理及检测分析[J].煤 矿支护，20142 26-28. [16] 钟党磊.冲孔桩溶洞处理技术[J].山西建筑，2008, 34 1 123-124. 责任编辑张宝优 36