下穿排洪沟谷的浅埋深大巷支护与防水技术研究

韩 勇

（山西中能华信矿业技术有限公司，山西 太原 030000）

1 概况

山西煤炭运销集团同富新煤业有限公司矿井北回风大巷、北辅助运输大巷和北胶带运输大巷呈西南～东北向即将从土崖底村南沟道（以下称“土崖底沟”）下方穿过。经测量其巷道顶部距离土崖底沟底部仅有7～8 m 左右。土崖底沟由南向北排洪，沟口处建有村村通漫水道路，未建有箱（管）涵，路基阻塞了沟内排水，蓄滞了来水，壅高了水位。

由于三条大巷正位于土崖底沟下方，且埋深较浅，雨季土崖底沟小流域地表水汇集到沟谷，积水会慢慢渗入地下，且积水悬顶于大巷掘进工程之上，对大巷掘进与大巷使用均构成威胁。为排除上述安全隐患，需对该段巷道加强支护，并对地面排洪沟进行治理。

2 三条大巷层位与其围岩情况

北翼胶带大巷、回风大巷、辅助运输大巷沿10号煤层顶板布置，下穿地表土崖底沟的一段大巷长度大约6 m，巷道顶板基岩为石炭系上统太原组（C3t）K2 灰岩，平均厚度7～8 m。该段10 号煤层平均厚度约2.5 m，底板为泥岩厚度约4.3 m。10 号煤层顶底板岩石物理力学试验成果见表1。

表1 10 号煤层顶底板岩石物理力学试验成果表

分析上述大巷层位与巷道围岩情况，根据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》，巷道的围岩稳定性分类结果为：稳定（Ⅱ类）[1]。

3 初步拟定的支护方案

3.1 基本支护形式

下穿沟谷段北翼辅助运输大巷为半圆拱巷道，依据地质报告、现场调研及工程类比并参照“北辅助运输大巷掘进工作面作业规程”，初步拟定的基本支护形式为：29U 型钢棚+金属网+喷浆支护，该“作业规程”中非下穿沟谷段巷道其29U 型钢棚排距为1.0 m。

3.2 U 型钢排距

依据《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》第7章“表7.2.3：煤层回采巷道金属支架类型与支护参数”，当巷道围岩稳定性级别为稳定（Ⅱ类）时，对应的棚梁排距0.8 m[2]。因此对北翼辅助运输大巷下穿沟谷段巷道进行加强支护，将其29U 型钢棚排距调整为0.8 m。

4 北辅助运输大巷计算模型

4.1 建立模型

采用FLAC3D6.0 数值模拟软件建立三维地质力学模型，开挖后的巷道采用29U 型钢进行支护，对支护前后巷道的顶板、底板及地表的沉降变形进行模拟计算。具体地质参数为：拱形巷道宽5.0 m，高3.0 m，拱高2.5 m，29U型钢间距为0.8 m，宽度为0.20 m，厚度0.016 m。顶板K2 石灰岩高7.5 m，伪顶泥岩0.5 m，10 号煤层厚2.5 m，底板泥岩（砂质泥岩）厚10.5 m。

建立的模型尺寸：长× 宽× 高=40 m×3 m×21 m，选取中间三架29U 型钢进行支护模拟，从上到下依次为K2 石灰岩7.5 m，伪顶泥岩0.5 m，10 号煤层2.5 m，底板泥岩（砂质泥岩）共10.5 m。模型4 个侧面为固支约束，底部为铰支约束，上表面为自由约束，整个模型只受到自重的影响。灰岩、泥岩和煤层均采用摩尔库伦模型，29U 型钢采用线弹性模型。

4.2 基本力学参数（表2）

表2 基本力学参数

4.3 初始平衡

图2 为三维地质力学模型在自重的情况下，达到初始静力平衡状态的应力云图及最大不平衡力曲线图。本次模拟中巷道在开挖后用29U 型钢进行支护，对巷道支护前后顶板中心、底板中心、地表中心进行了位移监测，其监测点布置区域为图2 中黑色五角星所在位置。同时，获取了巷道支护前后的位移云图，对支护前后的模拟结果进行了对比。

图2 应力初始平衡

4.4 位移云图

图3、图4 为巷道支护前后垂直位移云图，巷道在得到支护后，垂直位移减小一个数量级，巷道顶板、底板及两帮更加的稳定，不会发生顶板冒落、底鼓和片帮，地表出现微小变形，可忽略不计。巷道未支护时，巷道底板发生了向上突起，最大位移为0.179 mm，位于底板中部，而巷道顶板发生了下沉，最大位移为0.325 mm，位于顶板中部。巷道支护后，巷道底板最大位移为0.003 mm，位于底板中部，顶板最大下沉值为0.07 mm，位于顶板中部。因此，采用29U 型钢进行支护，有助于巷道的整体稳定性和减小地表的沉降变形。

图3 巷道未支护垂直位移云图

图4 巷道支护后垂直位移云图

4.5 垂直位移曲线

由图5 可知，随着时间的增加，顶板位移逐渐增大，最后保持稳定。可以看到，支护以后随着时间的增加，顶板的垂直位移减小，由0.159 mm 减小到0.0749 mm。因此，采用29U 型钢进行支护，对巷道顶板的沉降变形起到一定抑制变形作用，使得顶板更加稳定。

图5 巷道支护前后顶板垂直位移曲线图

由图6 可以清楚地看到：随着时间的增加，地表中心处的变形逐渐增大，最后趋于稳定。支护前，地表中心处最大垂直位移为0.134 mm，支护后最大垂直位移为0.066 8 mm，地表变形更小，更加稳定。

图6 巷道支护前后地表垂直位移曲线图

4.6 数值模拟结论

通过数值模拟计算可以得到以下结论：对下穿土崖底沟的宽5.0 m、高3.0 m、拱高2.5 m 的拱形北翼辅助运输大巷，采用U 型钢棚加强支护后，巷道顶板、底板、巷帮以及地表的沉降变形明显减小，变形量大约降低一个数量级，有效控制巷道围岩变形和地表变形，维护了巷道稳定。

可以确定，浅埋深大巷虽然距离地表排洪沟较近，但巷道采用上述方式加强支护后，无地表沟谷塌陷沉降造成积水突入井下的危险。

5 地表排洪沟治理

为防止排洪沟谷中的地表来水渗入巷道，应疏通地表排水通道，做有效的防渗措施。

北回风大巷、北辅助运输大巷和北胶带运输大巷范围内地表沟道进行疏浚，按照地形地势情况，于沟底～左岸道路侧清表开挖约1 m，回填夯实三七灰土60 cm，起到防渗作用。三七灰土上方修建40 cm 厚M10 浆砌石排洪渠，其过水断面拟定为底宽2 m，深1 m，边坡1:1。土崖底沟口处拆除原道路，重建排水涵，保障排水通畅。

6 结语

通过对巷道围岩进行分类，初步拟定巷道支护方案。通过数值模拟对拟定的巷道加强支护方案进行验证计算，对浅埋深下穿沟谷巷道段进行加强支护，并设置地面排洪沟治理方案，上下结合，消除了地表水对井下巷道渗水与透水的安全隐患。