吳四圪堵煤礦橋下大巷安全評價及加固方案研究

楊 勇

（內蒙古北聯電能源開發有限責任公司，內蒙古自治區呼和浩特市，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，即北翼帶式輸送機運輸大巷、北翼回風大巷及北翼輔助運輸大巷，3條大巷與奎洞溝鐵路大橋之間的位置關系如圖1所示。其中北翼回風大巷及北翼帶式輸送機運輸大巷從橋下穿過，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營狀態，吳四圪堵煤礦必須對穿橋大巷進行加固。大橋共設計了21個橋墩，最大橋跨32.84m，最小32.7m，每個橋墩下面均為鉆孔樁，以確保每個橋墩都支承在較穩定基巖上，該基巖為砂巖，其抗壓強度500kPa。

圖1 3條大巷與奎洞溝鐵路大橋平面位置關系及北翼大巷加固段范圍及長度

2 鐵路橋的穩定性

根據已有的理論知識對橋墩的穩定性進行了分析計算，得出下述結論：

（1）奎洞溝大橋在橋墩荷載作用下，各鉆孔樁進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 處砂巖的抗壓強度500kPa，說明橋墩基地是穩定的。

（2）在橋墩荷載作用下，半無限體內沿橋墩軸線方向其豎向應力隨深度按指數規律衰減，在深度175m 處即大巷頂板位置，豎向應力僅為7.5kPa，以此值可作為大巷補強加固的依據。

（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 范圍內應力分布將不出現相互疊加現象。

所以，奎洞溝大橋在橋梁、橋墩自重及列車動力荷載作用下，其地基是穩定的。

3 大巷穩定性分析

北翼回風大巷及北翼帶式輸送機運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，相互之間留設煤柱凈寬度為30m，巷道斷面形狀為矩形，支護采用錨噴支護，3條大巷井下位置關系及各自圍巖內支承壓力分布如圖2所示。為了檢驗大巷和大橋樁基是否產生相互影響，從以下4個方面進行分析。

圖2 3條大巷井下位置關系及各自圍巖內支承壓力分布

3.1 大巷煤柱穩定性

由于大巷開挖后，打破了大巷所在位置的原巖應力平衡狀態，致使其原巖應力得到重新分布和調整，由此在大巷圍巖內出現了應力集中和重新分布現象。根據大量的礦壓監測統計，其應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。當應力集中值小于圍巖抗壓強度時，圍巖是穩定的，且支承壓力分布將按指數規律衰減，直至趨于原巖應力狀態。

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

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部力學平衡結構，該結構能夠將上覆地層壓力通過拱切線傳遞到兩幫，再由兩幫傳遞到底板，從而形成所謂的自然平衡拱結構。

根據礦壓理論，冒落拱高度計算：

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，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運輸大巷3.4m，北翼輔運巷4m，北翼回風巷3.4m，將數據代入式 （1），得頂板垮落后其冒落拱高度分別17m、20m 及17m，該高度遠小于大巷最小埋深163m。可見即便大巷頂板出現冒落也不會波及到大橋樁基。

3.3 大巷頂板運動范圍

大巷開挖之后，其上覆煤巖層在自重作用下將發生下沉或離層，大巷頂板受力如圖3所示的力學模型，設ABCD 為沿大巷單位長度上上覆地層自重為Q，兩側楔形體施加的水平擠壓力為P，由P在AB、CD 面上產生的摩擦力為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摩擦角，取30°。

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

將各參數代入式 （3）計算，得地表至巷道頂板垂直高度為26m。

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

圖3 大巷頂板力學模型

3.4 大巷臨界埋藏深度

當構筑物處于采空區或巷道影響范圍之內時，其構筑物的基地是否穩定可通過理論計算進行驗證。根據圖3 所示的力學模型，設ABCD 為沿大巷單位長度上覆地層自重為Q，兩側楔形體施加的水平擠壓力為P，由P 在AB、CD 面上產生的摩擦力為F，構筑物基礎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Q=0時，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算公式為：

式中：M——大巷的臨界埋藏深度，m；

R——構筑物基礎的單位壓力，取3552 kN／m2；

將參數代入式 （5），得大巷的臨界埋藏深度為74m。若將該值再乘以系數1.5，即為111m，此值表明：當大橋橋基下方111 m 范圍內開挖巷道或硐室時，大巷或硐室可能會對橋基的穩定性產生影響，但目前大巷的埋深163m大于111 m，則大巷對大橋樁基的穩定性不會造成影響。

3.5 分析結果

（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出現相互疊加現象，即便支承壓力峰值超過了煤體的抗壓或抗剪強度，并出現一定范圍的松動破壞，但煤柱的穩定性也不會受到影響。

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

（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條大巷的頂板是穩定的。

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

4 大巷加固方案

根據理論分析，吳四圪堵煤礦施工的3條大巷對奎洞溝鐵路大橋不會產生任何影響，無需進行加固，但考慮到如下3點因素：一是地層賦存結構復雜，并隨機分布著大量的節理裂隙、空洞及構造，致使理論分析結果只能作為重要參考；二是鐵路運營對大橋要求很高，不允許出現任何下沉或變形，一旦出現就會造成災難性后果；三是大巷圍巖會隨著時間發生流變并逐漸出現松動破壞，同時錨桿在孔內自由段易發生銹蝕，降低了其支護強度，進而造成大巷圍巖發生失穩破壞。綜合這三方面的因素，建議對大巷實施補強加固。通過優化比較，吳四圪堵煤礦北翼3條相互平行的大巷將在原錨噴支護的基礎上，需要對北翼回風大巷和北翼帶式輸送機運輸大巷進行補強加固。但根據大巷與大橋之間的平面位置關系及圍巖支承壓力的影響范圍，只需對巷道的部分巷段進行加固，需要補強加固的巷段見圖1，分別采用兩種方案。

方案一：北翼回風大巷CD 段長度81m 、北翼帶式輸送機運輸大巷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：北翼回風大巷AC段長度73m 和BD段長度72m、北翼帶式輸送機運輸大巷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 結論

煤礦按照方案一及方案二對巷道進行了補強加固，鐵路經過近一年半時間的運行，目前鐵路下巷道形狀未發生任何變化、頂板也未發生下沉現象。說明加固方案切實可行，能夠為煤礦安全生產及鐵路正常運行提供可靠保障。

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