大林硫鐵礦副斜井穿溶洞施工關鍵技術研究

楊文權 張浩鑫

（1.烏江能源集團有限責任公司；2.貴州大學礦業學院）

我國巖溶面積約占國土面積的1/3［1-2］，巖溶問題是國內外在隧道施工、礦山開采、工程建設等方面的重大問題［3］，巖溶地質條件下進行礦山開采活動易產生工程地質問題［4］。國內外學者對巖溶問題的塌陷機理和防治措施有大量研究。羅小杰等［5-6］從巖溶塌陷機理角度首次提出了沙漏型、土洞型和泥流型塌陷機制，田昌貴等［7］運用高密度電阻率法對礦山巖溶進行探測，盛建龍等［8］以隧道為實例，結合力學和地質學知識，對復雜巖溶地質條件下的隧洞施工進行了研究分析。

云貴高原地區在喀斯特巖溶作用下形成了獨特的巖溶地貌。大林硫鐵礦位于貴州省湄潭縣，礦區面積約為8.59 km2，礦區內巖溶發育。礦區水文地質勘察表明，該礦區屬于以溶洞和溶蝕裂隙為主的巖溶充水礦床。大林硫鐵礦副斜井施工152 m后在+789.63 m頂板處遇到一圓弧狀溶洞，洞內干燥無水，局部地段存在黃土與灰巖混合體。

本項目擬以大林硫鐵礦副斜井過溶洞段施工為研究對象，對該段施工承重墻接頂支撐溶洞頂板進行研究，提出大林硫鐵礦副斜井過溶洞施工的安全技術措施，為類似巖溶地質條件下礦山斜井開拓施工提供借鑒。

1 工程背景

大林硫鐵礦采用斜井開拓，礦山現施工井筒數目為3個，即主斜井、副斜井、回風斜井。副斜井在工業場地南側+848 m標高開口，以290°29′48″的方位角、20°的傾角從礦脈頂板二疊系吳家坪組（P3W）巖層穿層布置，凈斷面為19.067 m2，井口表土段采用鋼筋混凝土支護，基巖段采用噴漿支護；施工205 m后在茅口組+776.6 m標高落平。副斜井在+789.63 m標高以64°5′43″的方位角施工14.35 m后，再以98°48′58″的方位角施工33.45 m布置副斜井井底車場繞道。同時在副斜井+789.4 m標高，以229°23′14″的方位角、3%的坡度施工38.67 m長的回風斜井，施工臨時通道至+789.6 m標高，然后以290°39′33″的方位角、23°的傾角向二疊系吳家坪組（P3W）巖層布置回風斜井，施工126.29 m后，至工業場地南側+848 m標高出地表。

目前主斜井已施工156.41 m，至+797.5 m標高落平，且也以4%～6%的坡度施工61 m后，至+787.6 m標高。副斜井施工152 m后，在+789.63 m頂板處遇到一處圓弧狀溶洞。礦山已在副斜井+789.63 m標高，以229°23′14″的方位角、3%的坡度，施工38.67 m長的回風斜井施工臨時通道，至+789.6 m標高，然后以290°39′33″的方位角、23°的傾角，由下往上向二疊系吳家坪組（P3W）巖層施工回風斜井。

大林硫鐵礦副斜井施工152 m后，在+789.63 m頂板處遇到一處圓弧狀溶洞，溶洞南北長約為27 m，東西寬約為23 m，高約為5.5 m，洞內干燥無水，局部地段存在黃土與灰巖混合體。頂板巖性為深灰色中厚層含燧石結核粗晶灰巖，完整無破壞，底板巖性為深灰色、灰黑色中厚層泥灰巖及粗晶灰巖［8］，完整無破壞，溶洞現場照片詳見圖1。

2 處理方案

2.1 承重墻設計方案

根據現場工程地質條件，擬在該段施工實心水泥磚結構承重墻接頂支撐溶洞。礦方現已在溶洞內施工了2根漿砌石結構的支撐柱，規格為0.8 m×0.8 m×2.0 m（長×寬×高）。為減少副斜井過溶洞段暴露面積，保持巷道正常掘進施工，經公司設計人員現場勘查，并與礦方溝通后，決定采用在副斜井兩幫及副斜井井底車場繞道兩幫施工M7.5漿砌石為基礎，實心水泥磚結構承重墻接頂支撐溶洞頂板，減少暴露空間的措施處理該井巷過溶洞段，承重墻建設時，首先清除軟弱層至基巖層后，方可施工。具體方案如下。

（1）副斜井井底車場繞道北側承重墻，在副斜井井底車場繞道北側，設計該處承重墻采用M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，20 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為3.7，0.6，20 m。

（2）副斜井井底車場繞道南側承重墻，在副斜井井底車場繞道南側，設計該處承重墻采用M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，13 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為4.5，0.6，13 m。

（3）副斜井南側承重墻（Ⅰ段）在副斜井南側，設計該處承重墻M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，9 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為4.7，0.6，9 m。

（4）副斜井南側承重墻（Ⅱ段）在副斜井南側，設計該處承重墻采用M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，23.2 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為4.3，0.6，20.2 m。

（5）副斜井井底轉載提升巷北側承重墻在提升巷北側，設計該處承重墻采用M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，14 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為4.2，0.6，14 m。

（6）在副斜井+789.6 m標高風井施工臨時通道旁設置10 kV臨時變配電點，設計該處承重墻采用M7.5漿砌石基礎，高，寬，長分別為0.8，0.8，13.8 m；實心水泥磚墻高，寬，長分別為4.3，0.6，13.8 m。

2.2 頂板支護與施工順序

該處溶洞頂板為頂板巖性為深灰色中厚層含燧石結核粗晶灰巖，完整無破壞，為防止風化產生破裂掉塊，建議對巷道過溶洞段頂板噴漿。

過該溶洞段采取由外向里逐段施工，按下述方法掘過溶蝕帶。施工順序:檢查幫頂→敲幫問頂→出碴→清除軟弱層→M7.5片石砌筑→實心水泥磚墻接頂→巷道頂板噴漿。

3 數值模擬

根據現場溶洞的形狀、大小及位置，現選用FLAC3D對副斜井遇溶洞后承重墻的穩定性進行數值模擬，根據塑性區的大小判斷承重墻能否有效地承載溶洞頂板。

3.1 數值模型的建立

根據大林硫鐵礦副斜井過溶洞專項安全技術方案調查可知，溶洞南北長約為27 m、東西寬為23 m、高約為5.5 m，按1∶1的比例建立溶洞模型，如圖2所示；副斜井兩幫及副斜井井底車場繞道兩幫承重墻規格和實際尺寸無異，根據礦區地質報告確定的模型圍巖體參數如表1所示。

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根據湄潭縣大林硫鐵礦礦山地質概況，建立大林硫鐵礦副斜井遇溶洞數值模型，選用摩爾—庫侖本構模型，尺寸為80 m×60 m×66.7 m，共有168 219個網格點、158 300個單元。

3.2 承重墻穩定性數值模擬分析

3.2.1 間距5.6 m時穩定性分析

根據副斜井斷面的大小，副斜井井底車場繞道北側承重墻與副斜井南側承重墻（Ⅰ段）的距離為5.6 m，承重墻下部為0.8 m寬的M7.5漿砌石，上部為0.6 m寬的實心水泥磚墻。此時承重墻內部塑性區的發育范圍如圖3、圖4所示。

當沿著承重墻方向，對距離承重墻中心兩側分別為0.2，0.35 m處進行分析，可得:

（1）承重墻底部0.8 m寬的M7.5漿砌石距離中心0.35 m處（承重墻邊緣0.05 m）產生塑性區，主要發生剪切破壞。

（2）承重墻上部0.6 m寬的實心水泥磚墻距離中心0.2 m處，承重墻中上部產生塑性區，距離承重墻0 m處僅承重墻邊緣處出現小范圍的塑性區。

當沿著承重墻方向，對距離溶洞邊界分別為1，3，5，7，9 m處進行分析，可得:

（1）承重墻底部0.8 m寬的M7.5漿砌石僅僅邊緣處產生塑性區，由溶洞邊界逐漸向溶洞中心處延伸，其塑性區范圍基本處于穩定，不再擴展。

（2）承重墻上部0.6 m寬的實心水泥磚墻在距離溶洞邊界0~7 m處，中上部的塑性區范圍逐漸擴大，但沒有貫通，仍存在彈性核區，承重墻處于穩定狀態［9］；在距離溶洞邊界9 m處（距離邊緣1 m）時，塑性區發生貫通。

3.2.2 間距3.0 m穩定性分析

根據副斜井斷面的大小，副斜井南側承重墻（Ⅱ段）、副斜井井底轉載提升巷北側承重墻的距離為3.0 m，承重墻下部為0.8 m寬的M7.5漿砌石，上部為0.6 m寬的實心水泥磚墻。此時承重墻塑性區的發育范圍如圖5、圖6所示。

當沿著承重墻方向，根據距離承重墻中心兩側分別為0.2，0.35 m處進行分析，可得:

（1）承重墻底部0.8 m寬的M7.5漿砌石距離中心0.35 m處（承重墻邊緣0.05 m）產生塑性區。

（2）承重墻上部0.6 m寬的實心水泥磚墻距離中心0.2 m處，承重墻中上部邊緣處出現小范圍的塑性區。

當垂直于承重墻方向，對距離溶洞邊界分別為1，3，5，7，8 m處進行分析，可得:

（1）承重墻底部0.8 m寬的M7.5漿砌石在承重墻的兩端產生較大范圍的塑性區，中部僅邊緣處產生小范圍塑性區。

（2）承重墻上部0.6 m寬的實心水泥磚墻在距離溶洞邊界0~3 m處，由于溶洞邊界的支撐，處于彈性狀態，不產生塑性區，隨著距離的增加，逐漸出現塑性區，但塑性區范圍較小，僅邊緣處產生塑性區，承重墻處于穩定狀態。

4 溶洞頂板位移監測

4.1 測點的布置

在該副斜井穿溶洞段施工間距為3.0 m的承重墻后，現場實時監測溶洞頂板的位移變化情況。沿溶洞傾向建立2個測站，借助十字布點法［9-10］對溶洞頂板垂直位移量進行監測。溶洞頂板北側和南側分別為測線一、測線二，每條測線間隔2 m布置1個測點，每2 d測量1次，共計監測30 d。

4.2 監測結果分析

圖7 為溶洞頂板測線一和測線二30 d測量的位移變化量監測數據。由圖7可知，在施工間距3.0 m承重墻接頂支撐溶洞頂板的30 d里，整個過程可以明顯分為變形階段和穩定階段。在前14 d，測線一和測線二均表現出明顯的位移變化，在后16 d，溶洞頂板位移量逐漸趨于穩定。由測線一知溶洞頂板北側垂直位移量最終穩定在45 mm左右，由測線二知溶洞頂板南側垂直位移量最終穩定在50 mm左右。數據監測結果表明，施工間距3.0 m的M7.5漿砌石基礎實心水泥磚結構承重墻能夠支撐溶洞頂板，不會導致溶洞頂板有較大的垂直移動量。

5 結論

（1）確定了大林硫鐵礦穿溶洞段施工實心水泥磚結構承重墻的間距為3.0 m，該間距下現場監測得出承重墻垂直位移約為50 mm。

（2）當承重墻間距為5.6 m時，根據垂直、平行于承重墻2個方向上不同位置塑性區范圍綜合分析，承重墻底部的漿砌石僅邊緣處產生塑性區，處于穩定狀態；承重墻上部實心水泥磚墻沿著承重墻方向邊緣約為1 m范圍內出現貫通，其他位置都有彈性核區存在，整體處于穩定狀態。

（3）當承重墻間距為3.0 m時，根據垂直、平行于承重墻2個方向上不同位置塑性區范圍綜合分析，承重墻底部的漿砌石僅兩端出現塑性區，處于穩定狀態；承重墻上部實心水泥磚墻沿著承重墻方向沒有出現塑性區貫通現象，均有彈性核區存在，整體處于穩定狀態。

（4）當承重墻間距為5.6 m時，承重墻上部實心水泥磚墻沿著承重墻方向邊緣約為1 m范圍內出現貫通狀態，但當承重墻間距為3.0 m時并沒有出現貫通狀態，此時能保證副斜井通過溶洞段的安全。