吳四圪堵煤礦橋下大巷安全評(píng)價(jià)及加固方案研究

楊 勇

（內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010020）

1 概況

吳四圪堵煤礦井田向北部開拓延伸，開拓了3條相互平行的大巷，即北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷、北翼回風(fēng)大巷及北翼輔助運(yùn)輸大巷，3條大巷與奎洞溝鐵路大橋之間的位置關(guān)系如圖1所示。其中北翼回風(fēng)大巷及北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷從橋下穿過，且大巷在大橋下方最小埋深為163m，相互之間留設(shè)巖柱凈寬度為30m。為確?？礈翔F路大橋不受任何影響且長期處于安全運(yùn)營狀態(tài)，吳四圪堵煤礦必須對(duì)穿橋大巷進(jìn)行加固。大橋共設(shè)計(jì)了21個(gè)橋墩，最大橋跨32.84m，最小32.7m，每個(gè)橋墩下面均為鉆孔樁，以確保每個(gè)橋墩都支承在較穩(wěn)定基巖上，該基巖為砂巖，其抗壓強(qiáng)度500kPa。

圖1 3條大巷與奎洞溝鐵路大橋平面位置關(guān)系及北翼大巷加固段范圍及長度

2 鐵路橋的穩(wěn)定性

根據(jù)已有的理論知識(shí)對(duì)橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，得出下述結(jié)論：

（1）奎洞溝大橋在橋墩荷載作用下，各鉆孔樁進(jìn)入地層深度最淺處為4m，在4m 處地基所受到的壓力為328kPa，該值小于4m 處砂巖的抗壓強(qiáng)度500kPa，說明橋墩基地是穩(wěn)定的。

（2）在橋墩荷載作用下，半無限體內(nèi)沿橋墩軸線方向其豎向應(yīng)力隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減，在深度175m 處即大巷頂板位置，豎向應(yīng)力僅為7.5kPa，以此值可作為大巷補(bǔ)強(qiáng)加固的依據(jù)。

（3）由于橋墩間距為32.7 m，在橋墩荷載作用下，半無限體在16.35 m 范圍內(nèi)應(yīng)力分布將不出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象。

所以，奎洞溝大橋在橋梁、橋墩自重及列車動(dòng)力荷載作用下，其地基是穩(wěn)定的。

3 大巷穩(wěn)定性分析

北翼回風(fēng)大巷及北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷從奎洞溝鐵路大橋下斜交通過，且大巷在大橋下方最小埋深為163m，相互之間留設(shè)煤柱凈寬度為30m，巷道斷面形狀為矩形，支護(hù)采用錨噴支護(hù)，3條大巷井下位置關(guān)系及各自圍巖內(nèi)支承壓力分布如圖2所示。為了檢驗(yàn)大巷和大橋樁基是否產(chǎn)生相互影響，從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析。

圖2 3條大巷井下位置關(guān)系及各自圍巖內(nèi)支承壓力分布

3.1 大巷煤柱穩(wěn)定性

由于大巷開挖后，打破了大巷所在位置的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，致使其原巖應(yīng)力得到重新分布和調(diào)整，由此在大巷圍巖內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力集中和重新分布現(xiàn)象。根據(jù)大量的礦壓監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，其應(yīng)力集中值一般為上覆地層自重壓力的2倍，而分布范圍為巷道寬度的1.5 倍。當(dāng)應(yīng)力集中值小于圍巖抗壓強(qiáng)度時(shí)，圍巖是穩(wěn)定的，且支承壓力分布將按指數(shù)規(guī)律衰減，直至趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

由于3條大巷保留的煤柱凈寬為30m，且大巷之間產(chǎn)生的圍巖支承壓力未存在相互疊加現(xiàn)象，即便最大支承壓力8.2 MPa向圍巖深部產(chǎn)生一定距離的轉(zhuǎn)移，其應(yīng)力出現(xiàn)疊加的可能也很小。所以大巷煤柱是否穩(wěn)定將取決于自身抗壓強(qiáng)度及支護(hù)剛度。

3.2 大巷冒落拱高度

冒落拱是巷道頂板垮落后所形成的一種內(nèi)部力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑸细驳貙訅毫νㄟ^拱切線傳遞到兩幫，再由兩幫傳遞到底板，從而形成所謂的自然平衡拱結(jié)構(gòu)。

根據(jù)礦壓理論，冒落拱高度計(jì)算：

式中：h——冒落拱高度，m；

N ——巷道高度，m；

k——為巖層垮落后的膨脹系數(shù)，一般取值為1.2。

3條大巷斷面高度分別為北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷3.4m，北翼輔運(yùn)巷4m，北翼回風(fēng)巷3.4m，將數(shù)據(jù)代入式 （1），得頂板垮落后其冒落拱高度分別17m、20m 及17m，該高度遠(yuǎn)小于大巷最小埋深163m。可見即便大巷頂板出現(xiàn)冒落也不會(huì)波及到大橋樁基。

3.3 大巷頂板運(yùn)動(dòng)范圍

大巷開挖之后，其上覆煤巖層在自重作用下將發(fā)生下沉或離層，大巷頂板受力如圖3所示的力學(xué)模型，設(shè)ABCD 為沿大巷單位長度上上覆地層自重為Q，兩側(cè)楔形體施加的水平擠壓力為P，由P在AB、CD 面上產(chǎn)生的摩擦力為F，則上覆巖柱作用在大巷頂板上的壓力：

式中：Q——巖柱作用在大巷頂板上的壓力，kg；

H ——地表至巷道頂板垂直高度，m。

a——為大巷斷面寬度的一半，取3條大巷中斷面寬度最大的輔運(yùn)大巷a為2.5m；

γ——大巷上覆巖層容重，取25kN／m3；

φ——大巷頂板上覆煤巖層平均內(nèi)摩擦角，取30°。

當(dāng)Q=0時(shí)，即大巷頂板壓力與上覆煤巖層自承能力恰好相等時(shí)，地表至巷道頂板垂直高度為：

將各參數(shù)代入式 （3）計(jì)算，得地表至巷道頂板垂直高度為26m。

可見，大巷頂板巖層發(fā)生下沉或離層的范圍為26m，若該值再乘以系數(shù)1.5，即為39 m，該值仍遠(yuǎn)小于大巷的最小埋深163m。所以，即使大巷頂板發(fā)生了下沉或離層也不會(huì)波及到大橋樁基。

圖3 大巷頂板力學(xué)模型

3.4 大巷臨界埋藏深度

當(dāng)構(gòu)筑物處于采空區(qū)或巷道影響范圍之內(nèi)時(shí)，其構(gòu)筑物的基地是否穩(wěn)定可通過理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)圖3 所示的力學(xué)模型，設(shè)ABCD 為沿大巷單位長度上覆地層自重為Q，兩側(cè)楔形體施加的水平擠壓力為P，由P 在AB、CD 面上產(chǎn)生的摩擦力為F，構(gòu)筑物基礎(chǔ)作用在基地上的壓力為R，則作用在大巷頂板上的壓力為：

當(dāng)Q=0時(shí)，即大巷頂板壓力與上覆煤巖層自承能力恰好相等，則大巷的臨界埋藏深度計(jì)算公式為：

式中：M——大巷的臨界埋藏深度，m；

R——構(gòu)筑物基礎(chǔ)的單位壓力，取3552 kN／m2；

將參數(shù)代入式 （5），得大巷的臨界埋藏深度為74m。若將該值再乘以系數(shù)1.5，即為111m，此值表明：當(dāng)大橋橋基下方111 m 范圍內(nèi)開挖巷道或硐室時(shí)，大巷或硐室可能會(huì)對(duì)橋基的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但目前大巷的埋深163m大于111 m，則大巷對(duì)大橋樁基的穩(wěn)定性不會(huì)造成影響。

3.5 分析結(jié)果

（1）3條大巷之間保留水平煤柱寬度為30m，其煤柱支承壓力不會(huì)出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象，即便支承壓力峰值超過了煤體的抗壓或抗剪強(qiáng)度，并出現(xiàn)一定范圍的松動(dòng)破壞，但煤柱的穩(wěn)定性也不會(huì)受到影響。

（2）3條大巷斷面高度為3.4～4 m，其冒落拱高度為17～21 m，該高度遠(yuǎn)小于大巷埋深163m?？梢?，即便大巷頂板出現(xiàn)冒落也不會(huì)波及到大橋樁基。

（3）按大巷頂板壓力與上覆地層自承能力相等的原則，計(jì)算大巷的臨界埋藏深度為39 m，該值小于3條大巷的最小埋深163m，則3條大巷的頂板是穩(wěn)定的。

（4）影響大橋樁基穩(wěn)定的大巷埋深應(yīng)小于111m，而目前3條大巷的最小埋深為163 m，則大橋樁基是穩(wěn)定的。

4 大巷加固方案

根據(jù)理論分析，吳四圪堵煤礦施工的3條大巷對(duì)奎洞溝鐵路大橋不會(huì)產(chǎn)生任何影響，無需進(jìn)行加固，但考慮到如下3點(diǎn)因素：一是地層賦存結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并隨機(jī)分布著大量的節(jié)理裂隙、空洞及構(gòu)造，致使理論分析結(jié)果只能作為重要參考；二是鐵路運(yùn)營對(duì)大橋要求很高，不允許出現(xiàn)任何下沉或變形，一旦出現(xiàn)就會(huì)造成災(zāi)難性后果；三是大巷圍巖會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生流變并逐漸出現(xiàn)松動(dòng)破壞，同時(shí)錨桿在孔內(nèi)自由段易發(fā)生銹蝕，降低了其支護(hù)強(qiáng)度，進(jìn)而造成大巷圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。綜合這三方面的因素，建議對(duì)大巷實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固。通過優(yōu)化比較，吳四圪堵煤礦北翼3條相互平行的大巷將在原錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)北翼回風(fēng)大巷和北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。但根據(jù)大巷與大橋之間的平面位置關(guān)系及圍巖支承壓力的影響范圍，只需對(duì)巷道的部分巷段進(jìn)行加固，需要補(bǔ)強(qiáng)加固的巷段見圖1，分別采用兩種方案。

方案一：北翼回風(fēng)大巷CD 段長度81m 、北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷MN 段長度74m 采用礦用11＃工字鋼棚+錨索配注漿短管+噴漿方案。

方案二：北翼回風(fēng)大巷AC段長度73m 和BD段長度72m、北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷EM 段長度73m 和FN 段長度48m 采用錨索配注漿短管+注漿方案。

5 結(jié)論

煤礦按照方案一及方案二對(duì)巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固，鐵路經(jīng)過近一年半時(shí)間的運(yùn)行，目前鐵路下巷道形狀未發(fā)生任何變化、頂板也未發(fā)生下沉現(xiàn)象。說明加固方案切實(shí)可行，能夠?yàn)槊旱V安全生產(chǎn)及鐵路正常運(yùn)行提供可靠保障。

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