大林硫铁矿副斜井穿溶洞施工关键技术研究

杨文权 张浩鑫

（1.乌江能源集团有限责任公司；2.贵州大学矿业学院）

我国岩溶面积约占国土面积的1/3［1-2］，岩溶问题是国内外在隧道施工、矿山开采、工程建设等方面的重大问题［3］，岩溶地质条件下进行矿山开采活动易产生工程地质问题［4］。国内外学者对岩溶问题的塌陷机理和防治措施有大量研究。罗小杰等［5-6］从岩溶塌陷机理角度首次提出了沙漏型、土洞型和泥流型塌陷机制，田昌贵等［7］运用高密度电阻率法对矿山岩溶进行探测，盛建龙等［8］以隧道为实例，结合力学和地质学知识，对复杂岩溶地质条件下的隧洞施工进行了研究分析。

云贵高原地区在喀斯特岩溶作用下形成了独特的岩溶地貌。大林硫铁矿位于贵州省湄潭县，矿区面积约为8.59 km2，矿区内岩溶发育。矿区水文地质勘察表明，该矿区属于以溶洞和溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床。大林硫铁矿副斜井施工152 m后在+789.63 m顶板处遇到一圆弧状溶洞，洞内干燥无水，局部地段存在黄土与灰岩混合体。

本项目拟以大林硫铁矿副斜井过溶洞段施工为研究对象，对该段施工承重墙接顶支撑溶洞顶板进行研究，提出大林硫铁矿副斜井过溶洞施工的安全技术措施，为类似岩溶地质条件下矿山斜井开拓施工提供借鉴。

1 工程背景

大林硫铁矿采用斜井开拓，矿山现施工井筒数目为3个，即主斜井、副斜井、回风斜井。副斜井在工业场地南侧+848 m标高开口，以290°29′48″的方位角、20°的倾角从矿脉顶板二叠系吴家坪组（P3W）岩层穿层布置，净断面为19.067 m2，井口表土段采用钢筋混凝土支护，基岩段采用喷浆支护；施工205 m后在茅口组+776.6 m标高落平。副斜井在+789.63 m标高以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布置副斜井井底车场绕道。同时在副斜井+789.4 m标高，以229°23′14″的方位角、3%的坡度施工38.67 m长的回风斜井，施工临时通道至+789.6 m标高，然后以290°39′33″的方位角、23°的倾角向二叠系吴家坪组（P3W）岩层布置回风斜井，施工126.29 m后，至工业场地南侧+848 m标高出地表。

目前主斜井已施工156.41 m，至+797.5 m标高落平，且也以4%～6%的坡度施工61 m后，至+787.6 m标高。副斜井施工152 m后，在+789.63 m顶板处遇到一处圆弧状溶洞。矿山已在副斜井+789.63 m标高，以229°23′14″的方位角、3%的坡度，施工38.67 m长的回风斜井施工临时通道，至+789.6 m标高，然后以290°39′33″的方位角、23°的倾角，由下往上向二叠系吴家坪组（P3W）岩层施工回风斜井。

大林硫铁矿副斜井施工152 m后，在+789.63 m顶板处遇到一处圆弧状溶洞，溶洞南北长约为27 m，东西宽约为23 m，高约为5.5 m，洞内干燥无水，局部地段存在黄土与灰岩混合体。顶板岩性为深灰色中厚层含燧石结核粗晶灰岩，完整无破坏，底板岩性为深灰色、灰黑色中厚层泥灰岩及粗晶灰岩［8］，完整无破坏，溶洞现场照片详见图1。

2 处理方案

2.1 承重墙设计方案

根据现场工程地质条件，拟在该段施工实心水泥砖结构承重墙接顶支撑溶洞。矿方现已在溶洞内施工了2根浆砌石结构的支撑柱，规格为0.8 m×0.8 m×2.0 m（长×宽×高）。为减少副斜井过溶洞段暴露面积，保持巷道正常掘进施工，经公司设计人员现场勘查，并与矿方沟通后，决定采用在副斜井两帮及副斜井井底车场绕道两帮施工M7.5浆砌石为基础，实心水泥砖结构承重墙接顶支撑溶洞顶板，减少暴露空间的措施处理该井巷过溶洞段，承重墙建设时，首先清除软弱层至基岩层后，方可施工。具体方案如下。

（1）副斜井井底车场绕道北侧承重墙，在副斜井井底车场绕道北侧，设计该处承重墙采用M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，20 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为3.7，0.6，20 m。

（2）副斜井井底车场绕道南侧承重墙，在副斜井井底车场绕道南侧，设计该处承重墙采用M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，13 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为4.5，0.6，13 m。

（3）副斜井南侧承重墙（Ⅰ段）在副斜井南侧，设计该处承重墙M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，9 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为4.7，0.6，9 m。

（4）副斜井南侧承重墙（Ⅱ段）在副斜井南侧，设计该处承重墙采用M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，23.2 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为4.3，0.6，20.2 m。

（5）副斜井井底转载提升巷北侧承重墙在提升巷北侧，设计该处承重墙采用M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，14 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为4.2，0.6，14 m。

（6）在副斜井+789.6 m标高风井施工临时通道旁设置10 kV临时变配电点，设计该处承重墙采用M7.5浆砌石基础，高，宽，长分别为0.8，0.8，13.8 m；实心水泥砖墙高，宽，长分别为4.3，0.6，13.8 m。

2.2 顶板支护与施工顺序

该处溶洞顶板为顶板岩性为深灰色中厚层含燧石结核粗晶灰岩，完整无破坏，为防止风化产生破裂掉块，建议对巷道过溶洞段顶板喷浆。

过该溶洞段采取由外向里逐段施工，按下述方法掘过溶蚀带。施工顺序:检查帮顶→敲帮问顶→出碴→清除软弱层→M7.5片石砌筑→实心水泥砖墙接顶→巷道顶板喷浆。

3 数值模拟

根据现场溶洞的形状、大小及位置，现选用FLAC3D对副斜井遇溶洞后承重墙的稳定性进行数值模拟，根据塑性区的大小判断承重墙能否有效地承载溶洞顶板。

3.1 数值模型的建立

根据大林硫铁矿副斜井过溶洞专项安全技术方案调查可知，溶洞南北长约为27 m、东西宽为23 m、高约为5.5 m，按1∶1的比例建立溶洞模型，如图2所示；副斜井两帮及副斜井井底车场绕道两帮承重墙规格和实际尺寸无异，根据矿区地质报告确定的模型围岩体参数如表1所示。

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根据湄潭县大林硫铁矿矿山地质概况，建立大林硫铁矿副斜井遇溶洞数值模型，选用摩尔—库仑本构模型，尺寸为80 m×60 m×66.7 m，共有168 219个网格点、158 300个单元。

3.2 承重墙稳定性数值模拟分析

3.2.1 间距5.6 m时稳定性分析

根据副斜井断面的大小，副斜井井底车场绕道北侧承重墙与副斜井南侧承重墙（Ⅰ段）的距离为5.6 m，承重墙下部为0.8 m宽的M7.5浆砌石，上部为0.6 m宽的实心水泥砖墙。此时承重墙内部塑性区的发育范围如图3、图4所示。

当沿着承重墙方向，对距离承重墙中心两侧分别为0.2，0.35 m处进行分析，可得:

（1）承重墙底部0.8 m宽的M7.5浆砌石距离中心0.35 m处（承重墙边缘0.05 m）产生塑性区，主要发生剪切破坏。

（2）承重墙上部0.6 m宽的实心水泥砖墙距离中心0.2 m处，承重墙中上部产生塑性区，距离承重墙0 m处仅承重墙边缘处出现小范围的塑性区。

当沿着承重墙方向，对距离溶洞边界分别为1，3，5，7，9 m处进行分析，可得:

（1）承重墙底部0.8 m宽的M7.5浆砌石仅仅边缘处产生塑性区，由溶洞边界逐渐向溶洞中心处延伸，其塑性区范围基本处于稳定，不再扩展。

（2）承重墙上部0.6 m宽的实心水泥砖墙在距离溶洞边界0~7 m处，中上部的塑性区范围逐渐扩大，但没有贯通，仍存在弹性核区，承重墙处于稳定状态［9］；在距离溶洞边界9 m处（距离边缘1 m）时，塑性区发生贯通。

3.2.2 间距3.0 m稳定性分析

根据副斜井断面的大小，副斜井南侧承重墙（Ⅱ段）、副斜井井底转载提升巷北侧承重墙的距离为3.0 m，承重墙下部为0.8 m宽的M7.5浆砌石，上部为0.6 m宽的实心水泥砖墙。此时承重墙塑性区的发育范围如图5、图6所示。

当沿着承重墙方向，根据距离承重墙中心两侧分别为0.2，0.35 m处进行分析，可得:

（1）承重墙底部0.8 m宽的M7.5浆砌石距离中心0.35 m处（承重墙边缘0.05 m）产生塑性区。

（2）承重墙上部0.6 m宽的实心水泥砖墙距离中心0.2 m处，承重墙中上部边缘处出现小范围的塑性区。

当垂直于承重墙方向，对距离溶洞边界分别为1，3，5，7，8 m处进行分析，可得:

（1）承重墙底部0.8 m宽的M7.5浆砌石在承重墙的两端产生较大范围的塑性区，中部仅边缘处产生小范围塑性区。

（2）承重墙上部0.6 m宽的实心水泥砖墙在距离溶洞边界0~3 m处，由于溶洞边界的支撑，处于弹性状态，不产生塑性区，随着距离的增加，逐渐出现塑性区，但塑性区范围较小，仅边缘处产生塑性区，承重墙处于稳定状态。

4 溶洞顶板位移监测

4.1 测点的布置

在该副斜井穿溶洞段施工间距为3.0 m的承重墙后，现场实时监测溶洞顶板的位移变化情况。沿溶洞倾向建立2个测站，借助十字布点法［9-10］对溶洞顶板垂直位移量进行监测。溶洞顶板北侧和南侧分别为测线一、测线二，每条测线间隔2 m布置1个测点，每2 d测量1次，共计监测30 d。

4.2 监测结果分析

图7 为溶洞顶板测线一和测线二30 d测量的位移变化量监测数据。由图7可知，在施工间距3.0 m承重墙接顶支撑溶洞顶板的30 d里，整个过程可以明显分为变形阶段和稳定阶段。在前14 d，测线一和测线二均表现出明显的位移变化，在后16 d，溶洞顶板位移量逐渐趋于稳定。由测线一知溶洞顶板北侧垂直位移量最终稳定在45 mm左右，由测线二知溶洞顶板南侧垂直位移量最终稳定在50 mm左右。数据监测结果表明，施工间距3.0 m的M7.5浆砌石基础实心水泥砖结构承重墙能够支撑溶洞顶板，不会导致溶洞顶板有较大的垂直移动量。

5 结论

（1）确定了大林硫铁矿穿溶洞段施工实心水泥砖结构承重墙的间距为3.0 m，该间距下现场监测得出承重墙垂直位移约为50 mm。

（2）当承重墙间距为5.6 m时，根据垂直、平行于承重墙2个方向上不同位置塑性区范围综合分析，承重墙底部的浆砌石仅边缘处产生塑性区，处于稳定状态；承重墙上部实心水泥砖墙沿着承重墙方向边缘约为1 m范围内出现贯通，其他位置都有弹性核区存在，整体处于稳定状态。

（3）当承重墙间距为3.0 m时，根据垂直、平行于承重墙2个方向上不同位置塑性区范围综合分析，承重墙底部的浆砌石仅两端出现塑性区，处于稳定状态；承重墙上部实心水泥砖墙沿着承重墙方向没有出现塑性区贯通现象，均有弹性核区存在，整体处于稳定状态。

（4）当承重墙间距为5.6 m时，承重墙上部实心水泥砖墙沿着承重墙方向边缘约为1 m范围内出现贯通状态，但当承重墙间距为3.0 m时并没有出现贯通状态，此时能保证副斜井通过溶洞段的安全。