吴四圪堵煤矿桥下大巷安全评价及加固方案研究

2014-04-20杨勇

中国煤炭 2014年3期

杨勇

（内蒙古北联电能源开发有限责任公司，内蒙古自治区呼和浩特市，010020）

1 概况

吴四圪堵煤矿井田向北部开拓延伸，开拓了3条相互平行的大巷，即北翼带式输送机运输大巷、北翼回风大巷及北翼辅助运输大巷，3条大巷与奎洞沟铁路大桥之间的位置关系如图1所示。其中北翼回风大巷及北翼带式输送机运输大巷从桥下穿过，且大巷在大桥下方最小埋深为163m，相互之间留设岩柱净宽度为30m。为确保奎洞沟铁路大桥不受任何影响且长期处于安全运营状态，吴四圪堵煤矿必须对穿桥大巷进行加固。大桥共设计了21个桥墩，最大桥跨32.84m，最小32.7m，每个桥墩下面均为钻孔桩，以确保每个桥墩都支承在较稳定基岩上，该基岩为砂岩，其抗压强度500kPa。

图1 3条大巷与奎洞沟铁路大桥平面位置关系及北翼大巷加固段范围及长度

2 铁路桥的稳定性

根据已有的理论知识对桥墩的稳定性进行了分析计算，得出下述结论：

（1）奎洞沟大桥在桥墩荷载作用下，各钻孔桩进入地层深度最浅处为4m，在4m 处地基所受到的压力为328kPa，该值小于4m 处砂岩的抗压强度500kPa，说明桥墩基地是稳定的。

（2）在桥墩荷载作用下，半无限体内沿桥墩轴线方向其竖向应力随深度按指数规律衰减，在深度175m 处即大巷顶板位置，竖向应力仅为7.5kPa，以此值可作为大巷补强加固的依据。

（3）由于桥墩间距为32.7 m，在桥墩荷载作用下，半无限体在16.35 m 范围内应力分布将不出现相互叠加现象。

所以，奎洞沟大桥在桥梁、桥墩自重及列车动力荷载作用下，其地基是稳定的。

3 大巷稳定性分析

北翼回风大巷及北翼带式输送机运输大巷从奎洞沟铁路大桥下斜交通过，且大巷在大桥下方最小埋深为163m，相互之间留设煤柱净宽度为30m，巷道断面形状为矩形，支护采用锚喷支护，3条大巷井下位置关系及各自围岩内支承压力分布如图2所示。为了检验大巷和大桥桩基是否产生相互影响，从以下4个方面进行分析。

图2 3条大巷井下位置关系及各自围岩内支承压力分布

3.1 大巷煤柱稳定性

由于大巷开挖后，打破了大巷所在位置的原岩应力平衡状态，致使其原岩应力得到重新分布和调整，由此在大巷围岩内出现了应力集中和重新分布现象。根据大量的矿压监测统计，其应力集中值一般为上覆地层自重压力的2倍，而分布范围为巷道宽度的1.5 倍。当应力集中值小于围岩抗压强度时，围岩是稳定的，且支承压力分布将按指数规律衰减，直至趋于原岩应力状态。

由于3条大巷保留的煤柱净宽为30m，且大巷之间产生的围岩支承压力未存在相互叠加现象，即便最大支承压力8.2 MPa向围岩深部产生一定距离的转移，其应力出现叠加的可能也很小。所以大巷煤柱是否稳定将取决于自身抗压强度及支护刚度。

3.2 大巷冒落拱高度

冒落拱是巷道顶板垮落后所形成的一种内部力学平衡结构，该结构能够将上覆地层压力通过拱切线传递到两帮，再由两帮传递到底板，从而形成所谓的自然平衡拱结构。

根据矿压理论，冒落拱高度计算：

式中：h——冒落拱高度，m；

N ——巷道高度，m；

k——为岩层垮落后的膨胀系数，一般取值为1.2。

3条大巷断面高度分别为北翼带式输送机运输大巷3.4m，北翼辅运巷4m，北翼回风巷3.4m，将数据代入式（1），得顶板垮落后其冒落拱高度分别17m、20m 及17m，该高度远小于大巷最小埋深163m。可见即便大巷顶板出现冒落也不会波及到大桥桩基。

3.3 大巷顶板运动范围

大巷开挖之后，其上覆煤岩层在自重作用下将发生下沉或离层，大巷顶板受力如图3所示的力学模型，设ABCD 为沿大巷单位长度上上覆地层自重为Q，两侧楔形体施加的水平挤压力为P，由P在AB、CD 面上产生的摩擦力为F，则上覆岩柱作用在大巷顶板上的压力：

式中：Q——岩柱作用在大巷顶板上的压力，kg；

H ——地表至巷道顶板垂直高度，m。

a——为大巷断面宽度的一半，取3条大巷中断面宽度最大的辅运大巷a为2.5m；

γ——大巷上覆岩层容重，取25kN／m3；

φ——大巷顶板上覆煤岩层平均内摩擦角，取30°。

当Q=0时，即大巷顶板压力与上覆煤岩层自承能力恰好相等时，地表至巷道顶板垂直高度为：

将各参数代入式（3）计算，得地表至巷道顶板垂直高度为26m。

可见，大巷顶板岩层发生下沉或离层的范围为26m，若该值再乘以系数1.5，即为39 m，该值仍远小于大巷的最小埋深163m。所以，即使大巷顶板发生了下沉或离层也不会波及到大桥桩基。

图3 大巷顶板力学模型

3.4 大巷临界埋藏深度

当构筑物处于采空区或巷道影响范围之内时，其构筑物的基地是否稳定可通过理论计算进行验证。根据图3 所示的力学模型，设ABCD 为沿大巷单位长度上覆地层自重为Q，两侧楔形体施加的水平挤压力为P，由P 在AB、CD 面上产生的摩擦力为F，构筑物基础作用在基地上的压力为R，则作用在大巷顶板上的压力为：

当Q=0时，即大巷顶板压力与上覆煤岩层自承能力恰好相等，则大巷的临界埋藏深度计算公式为：

式中：M——大巷的临界埋藏深度，m；

R——构筑物基础的单位压力，取3552 kN／m2；

将参数代入式（5），得大巷的临界埋藏深度为74m。若将该值再乘以系数1.5，即为111m，此值表明：当大桥桥基下方111 m 范围内开挖巷道或硐室时，大巷或硐室可能会对桥基的稳定性产生影响，但目前大巷的埋深163m大于111 m，则大巷对大桥桩基的稳定性不会造成影响。

3.5 分析结果

（1）3条大巷之间保留水平煤柱宽度为30m，其煤柱支承压力不会出现相互叠加现象，即便支承压力峰值超过了煤体的抗压或抗剪强度，并出现一定范围的松动破坏，但煤柱的稳定性也不会受到影响。

（2）3条大巷断面高度为3.4～4 m，其冒落拱高度为17～21 m，该高度远小于大巷埋深163m。可见，即便大巷顶板出现冒落也不会波及到大桥桩基。

（3）按大巷顶板压力与上覆地层自承能力相等的原则，计算大巷的临界埋藏深度为39 m，该值小于3条大巷的最小埋深163m，则3条大巷的顶板是稳定的。

（4）影响大桥桩基稳定的大巷埋深应小于111m，而目前3条大巷的最小埋深为163 m，则大桥桩基是稳定的。

4 大巷加固方案

根据理论分析，吴四圪堵煤矿施工的3条大巷对奎洞沟铁路大桥不会产生任何影响，无需进行加固，但考虑到如下3点因素：一是地层赋存结构复杂，并随机分布着大量的节理裂隙、空洞及构造，致使理论分析结果只能作为重要参考；二是铁路运营对大桥要求很高，不允许出现任何下沉或变形，一旦出现就会造成灾难性后果；三是大巷围岩会随着时间发生流变并逐渐出现松动破坏，同时锚杆在孔内自由段易发生锈蚀，降低了其支护强度，进而造成大巷围岩发生失稳破坏。综合这三方面的因素，建议对大巷实施补强加固。通过优化比较，吴四圪堵煤矿北翼3条相互平行的大巷将在原锚喷支护的基础上，需要对北翼回风大巷和北翼带式输送机运输大巷进行补强加固。但根据大巷与大桥之间的平面位置关系及围岩支承压力的影响范围，只需对巷道的部分巷段进行加固，需要补强加固的巷段见图1，分别采用两种方案。

方案一：北翼回风大巷CD 段长度81m 、北翼带式输送机运输大巷MN 段长度74m 采用矿用11＃工字钢棚+锚索配注浆短管+喷浆方案。

方案二：北翼回风大巷AC段长度73m 和BD段长度72m、北翼带式输送机运输大巷EM 段长度73m 和FN 段长度48m 采用锚索配注浆短管+注浆方案。