楊 勇
(內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市,010020)
吳四圪堵煤礦井田向北部開拓延伸,開拓了3條相互平行的大巷,即北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷、北翼回風(fēng)大巷及北翼輔助運(yùn)輸大巷,3條大巷與奎洞溝鐵路大橋之間的位置關(guān)系如圖1所示。其中北翼回風(fēng)大巷及北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷從橋下穿過,且大巷在大橋下方最小埋深為163m,相互之間留設(shè)巖柱凈寬度為30m。為確??礈翔F路大橋不受任何影響且長期處于安全運(yùn)營狀態(tài),吳四圪堵煤礦必須對(duì)穿橋大巷進(jìn)行加固。大橋共設(shè)計(jì)了21個(gè)橋墩,最大橋跨32.84m,最小32.7m,每個(gè)橋墩下面均為鉆孔樁,以確保每個(gè)橋墩都支承在較穩(wěn)定基巖上,該基巖為砂巖,其抗壓強(qiáng)度500kPa。
圖1 3條大巷與奎洞溝鐵路大橋平面位置關(guān)系及北翼大巷加固段范圍及長度
根據(jù)已有的理論知識(shí)對(duì)橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算,得出下述結(jié)論:
(1)奎洞溝大橋在橋墩荷載作用下,各鉆孔樁進(jìn)入地層深度最淺處為4m,在4m 處地基所受到的壓力為328kPa,該值小于4m 處砂巖的抗壓強(qiáng)度500kPa,說明橋墩基地是穩(wěn)定的。
(2)在橋墩荷載作用下,半無限體內(nèi)沿橋墩軸線方向其豎向應(yīng)力隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減,在深度175m 處即大巷頂板位置,豎向應(yīng)力僅為7.5kPa,以此值可作為大巷補(bǔ)強(qiáng)加固的依據(jù)。
(3)由于橋墩間距為32.7 m,在橋墩荷載作用下,半無限體在16.35 m 范圍內(nèi)應(yīng)力分布將不出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象。
所以,奎洞溝大橋在橋梁、橋墩自重及列車動(dòng)力荷載作用下,其地基是穩(wěn)定的。
北翼回風(fēng)大巷及北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷從奎洞溝鐵路大橋下斜交通過,且大巷在大橋下方最小埋深為163m,相互之間留設(shè)煤柱凈寬度為30m,巷道斷面形狀為矩形,支護(hù)采用錨噴支護(hù),3條大巷井下位置關(guān)系及各自圍巖內(nèi)支承壓力分布如圖2所示。為了檢驗(yàn)大巷和大橋樁基是否產(chǎn)生相互影響,從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析。
圖2 3條大巷井下位置關(guān)系及各自圍巖內(nèi)支承壓力分布
由于大巷開挖后,打破了大巷所在位置的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài),致使其原巖應(yīng)力得到重新分布和調(diào)整,由此在大巷圍巖內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力集中和重新分布現(xiàn)象。根據(jù)大量的礦壓監(jiān)測統(tǒng)計(jì),其應(yīng)力集中值一般為上覆地層自重壓力的2倍,而分布范圍為巷道寬度的1.5 倍。當(dāng)應(yīng)力集中值小于圍巖抗壓強(qiáng)度時(shí),圍巖是穩(wěn)定的,且支承壓力分布將按指數(shù)規(guī)律衰減,直至趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)。
由于3條大巷保留的煤柱凈寬為30m,且大巷之間產(chǎn)生的圍巖支承壓力未存在相互疊加現(xiàn)象,即便最大支承壓力8.2 MPa向圍巖深部產(chǎn)生一定距離的轉(zhuǎn)移,其應(yīng)力出現(xiàn)疊加的可能也很小。所以大巷煤柱是否穩(wěn)定將取決于自身抗壓強(qiáng)度及支護(hù)剛度。
冒落拱是巷道頂板垮落后所形成的一種內(nèi)部力學(xué)平衡結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑸细驳貙訅毫νㄟ^拱切線傳遞到兩幫,再由兩幫傳遞到底板,從而形成所謂的自然平衡拱結(jié)構(gòu)。
根據(jù)礦壓理論,冒落拱高度計(jì)算:
式中:h——冒落拱高度,m;
N ——巷道高度,m;
k——為巖層垮落后的膨脹系數(shù),一般取值為1.2。
3條大巷斷面高度分別為北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷3.4m,北翼輔運(yùn)巷4m,北翼回風(fēng)巷3.4m,將數(shù)據(jù)代入式 (1),得頂板垮落后其冒落拱高度分別17m、20m 及17m,該高度遠(yuǎn)小于大巷最小埋深163m。可見即便大巷頂板出現(xiàn)冒落也不會(huì)波及到大橋樁基。
大巷開挖之后,其上覆煤巖層在自重作用下將發(fā)生下沉或離層,大巷頂板受力如圖3所示的力學(xué)模型,設(shè)ABCD 為沿大巷單位長度上上覆地層自重為Q,兩側(cè)楔形體施加的水平擠壓力為P,由P在AB、CD 面上產(chǎn)生的摩擦力為F,則上覆巖柱作用在大巷頂板上的壓力:
式中:Q——巖柱作用在大巷頂板上的壓力,kg;
H ——地表至巷道頂板垂直高度,m。
a——為大巷斷面寬度的一半,取3條大巷中斷面寬度最大的輔運(yùn)大巷a為2.5m;
γ——大巷上覆巖層容重,取25kN/m3;
φ——大巷頂板上覆煤巖層平均內(nèi)摩擦角,取30°。
當(dāng)Q=0時(shí),即大巷頂板壓力與上覆煤巖層自承能力恰好相等時(shí),地表至巷道頂板垂直高度為:
將各參數(shù)代入式 (3)計(jì)算,得地表至巷道頂板垂直高度為26m。
可見,大巷頂板巖層發(fā)生下沉或離層的范圍為26m,若該值再乘以系數(shù)1.5,即為39 m,該值仍遠(yuǎn)小于大巷的最小埋深163m。所以,即使大巷頂板發(fā)生了下沉或離層也不會(huì)波及到大橋樁基。
圖3 大巷頂板力學(xué)模型
當(dāng)構(gòu)筑物處于采空區(qū)或巷道影響范圍之內(nèi)時(shí),其構(gòu)筑物的基地是否穩(wěn)定可通過理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)圖3 所示的力學(xué)模型,設(shè)ABCD 為沿大巷單位長度上覆地層自重為Q,兩側(cè)楔形體施加的水平擠壓力為P,由P 在AB、CD 面上產(chǎn)生的摩擦力為F,構(gòu)筑物基礎(chǔ)作用在基地上的壓力為R,則作用在大巷頂板上的壓力為:
當(dāng)Q=0時(shí),即大巷頂板壓力與上覆煤巖層自承能力恰好相等,則大巷的臨界埋藏深度計(jì)算公式為:
式中:M——大巷的臨界埋藏深度,m;
R——構(gòu)筑物基礎(chǔ)的單位壓力,取3552 kN/m2;
將參數(shù)代入式 (5),得大巷的臨界埋藏深度為74m。若將該值再乘以系數(shù)1.5,即為111m,此值表明:當(dāng)大橋橋基下方111 m 范圍內(nèi)開挖巷道或硐室時(shí),大巷或硐室可能會(huì)對(duì)橋基的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,但目前大巷的埋深163m大于111 m,則大巷對(duì)大橋樁基的穩(wěn)定性不會(huì)造成影響。
(1)3條大巷之間保留水平煤柱寬度為30m,其煤柱支承壓力不會(huì)出現(xiàn)相互疊加現(xiàn)象,即便支承壓力峰值超過了煤體的抗壓或抗剪強(qiáng)度,并出現(xiàn)一定范圍的松動(dòng)破壞,但煤柱的穩(wěn)定性也不會(huì)受到影響。
(2)3條大巷斷面高度為3.4~4 m,其冒落拱高度為17~21 m,該高度遠(yuǎn)小于大巷埋深163m??梢?,即便大巷頂板出現(xiàn)冒落也不會(huì)波及到大橋樁基。
(3)按大巷頂板壓力與上覆地層自承能力相等的原則,計(jì)算大巷的臨界埋藏深度為39 m,該值小于3條大巷的最小埋深163m,則3條大巷的頂板是穩(wěn)定的。
(4)影響大橋樁基穩(wěn)定的大巷埋深應(yīng)小于111m,而目前3條大巷的最小埋深為163 m,則大橋樁基是穩(wěn)定的。
根據(jù)理論分析,吳四圪堵煤礦施工的3條大巷對(duì)奎洞溝鐵路大橋不會(huì)產(chǎn)生任何影響,無需進(jìn)行加固,但考慮到如下3點(diǎn)因素:一是地層賦存結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并隨機(jī)分布著大量的節(jié)理裂隙、空洞及構(gòu)造,致使理論分析結(jié)果只能作為重要參考;二是鐵路運(yùn)營對(duì)大橋要求很高,不允許出現(xiàn)任何下沉或變形,一旦出現(xiàn)就會(huì)造成災(zāi)難性后果;三是大巷圍巖會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生流變并逐漸出現(xiàn)松動(dòng)破壞,同時(shí)錨桿在孔內(nèi)自由段易發(fā)生銹蝕,降低了其支護(hù)強(qiáng)度,進(jìn)而造成大巷圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。綜合這三方面的因素,建議對(duì)大巷實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固。通過優(yōu)化比較,吳四圪堵煤礦北翼3條相互平行的大巷將在原錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上,需要對(duì)北翼回風(fēng)大巷和北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。但根據(jù)大巷與大橋之間的平面位置關(guān)系及圍巖支承壓力的影響范圍,只需對(duì)巷道的部分巷段進(jìn)行加固,需要補(bǔ)強(qiáng)加固的巷段見圖1,分別采用兩種方案。
方案一:北翼回風(fēng)大巷CD 段長度81m 、北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷MN 段長度74m 采用礦用11#工字鋼棚+錨索配注漿短管+噴漿方案。
方案二:北翼回風(fēng)大巷AC段長度73m 和BD段長度72m、北翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷EM 段長度73m 和FN 段長度48m 采用錨索配注漿短管+注漿方案。
煤礦按照方案一及方案二對(duì)巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固,鐵路經(jīng)過近一年半時(shí)間的運(yùn)行,目前鐵路下巷道形狀未發(fā)生任何變化、頂板也未發(fā)生下沉現(xiàn)象。說明加固方案切實(shí)可行,能夠?yàn)槊旱V安全生產(chǎn)及鐵路正常運(yùn)行提供可靠保障。
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