巷道过溶洞支护施工技术研究

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摘要：为了解决龙门峡南矿＋623m回风平硐过6＃溶洞的支护难题，首先对溶洞段工程地质及岩溶特征进行分析，确定采用疏堵结合的方法，以泄水性能良好的卵石充填并敷设排水管确保溶洞流水通道畅通，以“钢轨＋钢筋混凝土”浇筑形成封堵溶洞体，通过引入边界条件对溶洞支护体采用拱梁分载法原理计算应力分析，并确定了溶洞封堵洞体支护方案，必须确保过溶洞的封堵洞体与周边岩层紧密结合，保证巷道运输、通风功能，并在封堵溶洞体设泄水管，安设水压观测表和自动泄水闸阀，水压超限自动排放，顺利地解决溶洞支护和安全难题，取得了良好的支护效果。

关键词：复杂地质条件；溶洞群；疏堵结合；支护施工

煤矿井巷施工过程中，难免揭露溶洞、陷落柱等地质构造，处理异常困难，应采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施［1］。龙门峡南煤矿系新建矿井，水文地质条件复杂。＋623m回风平硐从地面出露飞仙关组四段依次穿过长兴组、龙潭组、茅口组。＋623m回风平硐适逢雨季施工，从开口施工不足1000m先后揭穿十余个大小不同的溶洞，其中距井口620m处揭露的长兴组灰岩段6＃溶洞群最为复杂。6＃溶洞之前连续遇多个溶洞时巷道多次变向掘进，若再变向掘进则井巷极易偏离设计方向且可能揭穿另一积水区。经多方研究采取疏排结合、加强支护等措施后成功通过该溶洞。

1溶洞段工程地质及岩溶特征

溶洞段二叠系上统长兴组（P2c）岩性为中～厚层状石灰岩。其物理力学测试指标为：普通吸水率2􀆰66％，饱和含水率3􀆰24％，比重2􀆰75g／cm3，饱和抗压强度48􀆰94MPa，软化系数0􀆰76，泊松比0􀆰26，岩石质量较好（RQD均值73􀆰70％），岩体质量指标M＝0􀆰120，岩体质量中等，岩体基本质量等级为Ⅲ级。溶洞体顶部、底部、左侧、右侧均发育有表层溶蚀破碎带，围岩整体性、力学强度及稳定性均受到一定影响，存在围岩稳定不均一变形。长兴组岩溶发育，水文地质单元内共发育岩溶点370处，岩溶发育密度6个／km2，均为近垂直发育的漏斗、落水洞、溶蚀竖井等。其中干溶斗占总数的72􀆰7％，溶蚀竖井占总数的16􀆰5％，落水洞占总数的9􀆰2％，暗河占总数的1􀆰6％。＋623m回风平硐岩溶裂隙水文情况如图1所示。

2支护施工

揭露的6＃溶洞为有水溶洞，溶洞长、宽约8􀆰0m，高约5m，斜切巷道轴线呈75°～80°夹角向巷道右帮延伸，涌水量大、与不明暗河导通，夏季暴雨2～3d后涌水量急剧增加，最大涌水量超10000m3／h，受大气降雨补给非常明显。突水点是井巷薄弱面，隐蔽性强，具有“突然性和强大的破坏性”的特点。多数情况下，过溶洞多采用封堵强行通过，这样虽对发现的溶洞及一定影响范围内起到有效的治理效果，但对于水文复杂区域，溶洞与地下水文构造可能贯通，井巷支护难免存在薄弱环节，有可能导致一定压力溶洞积水从未发现的弱面突破，导致突水事故［2］。因此，设计溶洞支护处理应以疏堵结合，而不宜采用单纯的强行封堵，即便干溶洞也应有放水设施和观察设计，以避免溶洞积水突破支护薄弱面导致突水事故［3］。2􀆰.1基础处理。井巷工程施工退后揭露点10m至溶洞结束10m段施工溶洞封堵洞体，封堵洞体长度约28m。施工封堵洞体前先清理干净溶洞底部不稳定破碎体和溶蚀软弱层，利用卵石或较大块度掘进石灰岩矸石回填溶洞底部，并每隔5m埋设经防腐处理后的Φ150mm无缝钢管联系巷道两侧，管口设铁筛防止石块或黄泥堵死管口引起溶洞内水压过大侧压垮塌封堵洞体，确保溶洞底部有良好的透水性和两侧水压平衡，不切断溶洞封堵洞体外的溶洞导水通路。然后再在回填体上浇筑200mm标号为C15混凝土作为垫层，在垫层之上一次浇筑300mm厚C25钢筋混凝土板作为整体基础［4］。2.􀆰2支护体应力分析。过溶洞的封堵洞体为一般壳体结构，应力分析引入边界条件通过拱梁分载法原理对其进行计算。2􀆰2􀆰1边界条件根据溶洞体条件和工程地质条件，封堵洞体稳定的边界条件支撑应力应大于“最大蓄水位＋温降＋淤沙压力＋封堵洞体自重”之和。荷载包括水荷载、泥沙荷载和扬压力［5－7］。1）荷载按照最大可能蓄水位计算。设计按照最大高度200m计算，按200m高度范围内均为蓄水区域考虑其水荷载，计算约1􀆰96MPa。2）泥沙荷载。泥沙荷载淤积高程按200m均为泥沙淤积，泥沙容重8􀆰0kN／m3，泥沙内摩擦角8°。代入式（1）计算泥沙荷载约3􀆰13MPa。e＝γ（H＋1Ht）tan2（45－φc2）（1）式中，γ为泥沙容重，8􀆰0kN／m3；H为深度，200m；Ht为封堵洞体高度，即巷道高度，取4m；φc为泥沙内摩擦角，8°。3）扬压力。封堵洞体扬压力上游侧的基岩扬压力按全水头计，下游侧的基岩扬压力按全水头10％计算，其余段按线性分布进行计算，则上游侧的基岩扬压力1􀆰96MPa，下游侧的基岩场压力0􀆰20MPa。4）温降荷载。该溶洞体常年位于地表200m以下，温度变化非常小，温降荷载可以忽略不计。5）封堵洞体自身荷载。指封堵溶洞的混凝土墙拱自身的荷载，与混凝土自身关系密切，其主要作用方向为垂直压力方向的荷载。按封堵洞体拱高4􀆰75m位置计算为0􀆰12MPa。2􀆰2􀆰2应力分析作用于封堵洞体上的应力按力学原理分为垂直作用于洞体上面的压力和作用于洞体法线方向的侧压力。垂向压力为以上各压力之和，即1􀆰96MPa＋3􀆰13MPa＋1􀆰96MPa＋0MPa＋0􀆰12MPa＝7􀆰17MPa。侧压力为水荷载、泥沙荷载与扬压力之和，即1􀆰96MPa＋3􀆰13MPa＋1􀆰96MPa＝7􀆰05MPa。由于侧压力沿封堵洞体法线方向作用于封堵洞体，封堵洞体主要受拉力作用。综合分析要求混凝土抗压强度不得低于7􀆰17MPa，抗拉强度不得低于7􀆰05MPa。2􀆰.3支护设计。2􀆰3􀆰1支护墙体要求根据前述计算，作用于封堵洞体垂直方向的压力为7􀆰17MPa，所受抗弯强度为7􀆰05MPa，选用C25钢筋混凝土支护。钢筋混凝土支护厚度按下式计算：KN≤φαRabh（2）式中，Ra为C25钢筋混凝土弯曲抗压强度，取19􀆰0MPa；K为安全系数，按“永久＋基本可变＋其它可变荷载”进行计算，取值3􀆰5；N为轴向力，取9􀆰5×103kN；B为截面宽度，m；H为支护厚度，m；φ为弯曲系数，贴壁式巷道支护，取1；α为轴向力的偏心影响系数，取1。将以上参数带入式（2）计算得h≥0􀆰438m，因此确定设计支护厚度500mm。根据计算，作用于封堵洞体垂直方向的压力为7􀆰17MPa，选择的C25混凝土（fck＝16􀆰7MPa＞7􀆰17MPa）足够满足其抗压强度。2􀆰3􀆰2支护施工封堵洞体结构采用与施工巷道一致的结构，即三心拱结构。其中掘进宽5000mm，净宽4000mm；掘进墙高2900mm，墙净高2100mm；掘进巷道高4742mm，净高3742mm；拱顶部距离地表约200m。设计封堵洞体墙体外铺设防水板，封堵洞体采用500mm厚度的C25钢筋混凝土支护，纵向受力主筋Φ22＠250mm，走向筋Φ16＠250mm，拉筋Φ8＠500mm；对于封堵洞体墙根采用间距150mm两根22kg／m钢轨与封堵洞体一同进行浇注。底部纵向主筋Φ22＠125mm，拉筋Φ8＠500mm［8－10］。封堵洞体支护结构如图2所示。2􀆰4溶洞涌水疏导该溶洞区域水文地质条件极为复杂，有可能与地下暗河甚至地表水体导通，在正常情况下排干积水后能确保其安全，但雨季水量极大。在溶洞支护巷道两侧底部水沟侧每5m设置一根Φ150mm泄水管，将水管一端伸入溶洞内，另一端引至水沟中，水管上设放水阀和压力表。放水阀压力保持在1􀆰5MPa，当压力达到1􀆰5MPa时，自动放水。雨季专人观测，当压力达到1􀆰5MPa后持续升高则启动预警机制，通知井下撤人，确保安全。

3结论

1）通过引入边界条件对溶洞支护体采用拱梁分载法原理计算应力分析，在复杂地质条件下溶洞支护以钢筋混凝土整体支护为宜，且前后过渡段支护长度不宜小于10m，必须确保过溶洞的封堵洞体与周边岩层紧密结合。2）导水溶洞基础处理应以导水的卵石或砾石为主，并在巷道底部设置泄水管防止阻断水流通路。对于极端条件下涌水极大的溶洞，应在泄水管上安设防水闸阀和压力表，雨季专人观测压力表，防止水压超限；一旦超限，立即启动预警机制，撤出井下作业人员，确保矿井安全。3）通过近2年的实际支护段运行情况，没有发现该段支护有开裂、变形、底板下沉的迹象，降雨时，涌水得到了及时排出，巷道排水平稳，没有暴83增现象，说明此方案完全可行的，封堵洞体质量有保障。4）采取了本方案支护，较巷道改道变向，节省巷道长度60余米，节约投资48􀆰6万元。根据现场实际情况，加强现场管理，精心组织施工，仅用一周的时间就安全顺利的穿过了该溶洞，比原计划缩短了8d，也比巷道改道时间缩短了8d，加快了施工进度。目前，＋623m回风平硐已经按预定施工方案通过长兴组灰岩溶洞群十余个，在近2a的运行中经过数次暴雨考验，未发生任何溶洞透水事故，保证了矿井安全，并在类似情况运用该设计方案，取得了良好的经济效益和社会效益。

作者:徐志勇 单位:四川省煤炭设计研究院