280排水平峒岩溶施工技术研究

黄玉生

(广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

在岩溶巷道施工中,会遇到各种各样的岩溶问题,比如岩溶突水、突泥、涌水、顶板溶洞充填物塌落、冒顶和底板沉陷等。这些不良的岩溶地质现象,给巷道施工造成安全隐患,影响施工质量,减缓施工进度。本文将结合工程实例,对巷道施工中遇到的岩溶问题及其对应采取的技术措施进行探讨。

1 工程概况

中信大锰矿业有限责任公司大新锰矿矿区位于中国西南部,这里常年雨水充沛,岩溶极为发育。矿区沿矿脉主要呈东西走向,东西跨度约5 km。地形西高东低,地形地貌受地层构造控制,碳酸盐岩类出露区为岩溶峰丛地形,并形成特有的岩溶地貌,而碎屑岩类出露区呈缓坡地貌[1]。280排水平峒是中信大锰大新分公司60万t/a地下开采工程的子项工程,是整个地下开采工程的主要排水通道。东起选矿厂,西至东风井,全长 1 770 m,净断面7.72m2。通过的Ⅱ级围岩段不支护；Ⅲ级围岩采用混凝土支护结构,厚度200mm；Ⅳ、Ⅴ级围岩采取混凝土支护结构(特殊情况下加筋),厚度300mm。

1.1 岩溶概况

巷道围岩主要以泥盆系东岗岭组灰岩为主,其间发育有溶孔、溶隙、溶洞、甚至暗河等岩溶地质现象[2]。巷道掘进至936 m后,开始遇到各种大小不一、形状各异的溶洞,溶洞揭穿后几乎都发生有突泥现象。在1 210m揭露有一系列溶洞,溶洞沿巷道长度达9m,垂直于巷道宽度最大达15 m,最高高度达8 m。洞内充填有块石、碎石及大量粘性土,爆破揭穿后夹杂有充填物的泥浆从洞口突出,其中一次性最大涌出量达86m3。施工过程中还有泥浆、泥水不断地涌出,顶板充填物不时掉落、垮塌。充填石直径从0.01～1.5 m不等,曾有直径3 m多的大块石卡在掌子面,而不得不先行处理。各溶洞性质如表1。

表1 溶洞性质表

1.2 岩溶引发的施工问题

1)突泥后,巷道底部被厚层的粘性泥浆所覆盖,阻碍施工的正常进行,清淤也不易。

2)巷道顶板溶洞充填物不停掉落、坍塌,无法正常往前掘进,并存在重大安全隐患。

3)局部地段底板主要由松散的溶洞充填物组成,混凝土支护结构边墙容易下沉开裂。

2 溶洞施工方案

2.1 方案选定原则

1)安全性

首先要确保施工过程中的安全；其次要保证后期混凝土支护结构的长期可靠性、安全性。

2)可操作性

尽可能考虑在现有的设备和施工技术条件下,选择比较容易实施的、可操作性比较强的、工艺比较简单的施工技术方案。

3)多样性

一旦一种方案无法实施,有备用方案可以选择；针对不同的情况,采取不同的措施。充分考虑溶洞位置、规模与巷道的空间关系。关系不同,则采取的措施也不同。

4)经济性

在满足安全和质量的前提下,选择比较经济的、节约的方案。

2.2 总体方案

无论采取什么样的方案,一般都会经过以下施工工序：清除巷道淤泥→施作超前支护→挖除坍塌体→爆破刷帮→出碴、清泥→浇筑混凝土支护结构→部分溶洞空间回填。

2.2.1 巷道清淤

溶洞揭穿后,有大量夹杂着块石、碎石的泥浆铺满了整个道巷工作面,必须先清淤。可以先采用机械挖除,但是突出物具有很强的粘性,有时机械不起作用,这时可以人工配合机械进行清除。280排水平峒各溶洞清淤量见表1。

2.2.2 超前支护

这是最关键的施工工序和施工技术,也是施工的难点之一。如果这一工序做得好,将有利于下一道工序的展开；相反则会反复,无法正常施工下一道工序。可采取如下技术措施：

1)在巷道拱部向坍塌体(溶洞充填物)超前插管支护,并对坍塌体进行注浆。使超前管棚、坍塌体固结成一个整体,共同支撑来自围岩的压力。管棚尾端使用钢拱架支撑或者浇筑一段混凝土支撑,前端打入稳定岩层中,形成有效的“棚护”作用。支护工序：插管→支撑管棚尾端→钻注浆孔→注浆。这是大断面巷道解决大溶洞坍塌体或巷道大冒顶的有效技术,安全性比较高,但工序工艺比较复杂,费用也比较高。

2)在巷道拱部施工超前锚杆棚[3]但不注浆。这种超前锚杆棚是小断面巷道处理各类溶洞或大断面巷道处理小溶洞都可以采用的技术。280排水平峒溶洞施工就主要采用这种技术。起初超前管使用φ40钢管,但效果不太理想而且插管比较困难；因而用φ30圆钢代替φ40钢管。圆钢长度6 m,环向间距10～30 cm。支护工序：钻孔→插杆→浇一段混凝土支撑管棚尾端→完成。支护结构如图1所示。

图1 超前杆棚示意

事实证明这种圆钢超前杆棚在控制溶洞充填物塌落方面起到了良好的效果,特别是跨度比较短的溶洞(如1号、2号和3号溶洞),效果更明显。但如果施工规模比较大,跨度比较长的溶洞(如4号、5号溶洞),这种超前杆棚有一定缺陷,因为杆棚前端无法锚入稳定的围岩中,因而稳定性和支撑力都有所减弱。但是在掘进一段距离(2～3 m)后,立即施作下一超前杆棚和浇筑混凝土支护,也可以很好地解决这个问题。

2.2.3 清碴和扩帮

超前支护完成后,就可以在其下挖除溶洞充填物,采用人工配合机械开挖。对于石质围岩部分需要爆破开挖时,应选择周边爆破技术[4]。尽量多打眼、打浅眼,并控制爆破药量,尽量减小爆破对溶洞充填物的扰动,以免引发二次坍塌。

2.2.4 溶洞位置与支护结构

溶洞相对于巷道断面所处的位置不同,支护结构也会有所不同。溶洞与巷道所处的空间关系多种多样,结合本工程主要讨论以下3种情况[5]。

1)溶洞发育于巷道拱腰以上,并且溶洞比较宽。超前杆棚只是确保了拱部的开挖安全,但是边墙并未得到控制,边墙的溶洞充填物极易产生片帮。因此有必要对边墙进行加固处理,在边墙部位砌起两道浆砌片石墙。片石墙作用：一是控制片帮,二是保护后期混凝土支护结构不受破坏。沙袋层的作用是保护拱部支护结构不受冲击破坏。本工程的3号、4号溶洞便属于这种情况,只是片石墙被沙袋墙所代替。因为边墙的溶洞充填物已基本被清除掉,不存在片帮的可能性,故无需再砌片石墙。支护结构如图2所示。

图2 发育于拱腰以上的溶洞支护

2)溶洞发育于巷道底板。因溶洞底板充填物比较松散,溶洞段与其前后的非溶洞段底板岩性不同,后期混凝土支护结构将会出现不均匀沉降,从而造成混凝土支护体开裂,支护结构将受到破坏。处理措施：a如果底板溶洞充填物很薄,先将其挖除,然后再用浆砌片石回填；b如果充填物很厚根本无法完全清除,可以采用钢筋梁或板跨越(梁、板两端要架设在硬岩之上),或者溶洞段全部浇底处理。支护结构如图3所示。

图3 发育于拱腰以下的溶洞支护

3)溶洞规模远大于巷道断面。这时既要用片石砌墙也要砌底,最好拱部也用沙浆砌片石拱,然后再在石砌体内浇筑混凝土支护结构。支护结构如图4所示。

以上无论采取哪种支护方式,溶洞段都应考虑预埋泄水管,以防汛期水压增大,而导致支护体遭受破坏。

图4 规模远大于巷道断面的溶洞支护

3 结语

在采取以上技术措施后,安全通过了这些溶洞。经过1年多的时间考验,溶洞段混凝土支护结构未有任何明显变形、开裂现象,而且经受住了几次井下洪灾的考验。而预埋于混凝土支护结构中的泄水孔,也达到了预期的泄水作用,避免了因汛期水压过大而对混凝土支护结构造成破坏。

尽管安全通过了这些溶洞,但是在以后的岩溶巷道施工中,必须加强超前地质预测、预报工作,对巷道前方岩溶进行预测。若预测到大规模不良岩溶地质体,则应绕过。特殊情况不能绕过时,则应提前准备好穿越不良岩溶地质体的应急预案,以防止施工中突泥和突水事故的发生。

[1]王建新,杨家谦,龚景秋,等.广西大新县下雷矿区南部碳酸锰矿详细勘探地质报告[R].南宁：广西第四地质队,1985.

[2]袁道先.中国岩溶学[M].武汉：地质大学出版社,1993.

[3]董方庭,姚玉煌,黄初,等.井巷设计与施工[M].徐州：中国矿业大学出版社,2004.

[4]戴俊,王树仁.爆破工程[M].北京：机械工业出版社,2005.

[5]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社,1997.