李鳳明，藍(lán) 航，韓科明，韓 震

(1.煤炭科學(xué)研究總院 土地整治與生態(tài)修復(fù)研究院，北京 100013；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

0 引 言

青海省木里煤田位于祁連山南麓腹地，黃河重要支流大通河源頭，是祁連山區(qū)域水源涵養(yǎng)地和我國(guó)生態(tài)安全屏障的重要組成部分，具有極為重要的生態(tài)地位。經(jīng)過(guò)多年煤炭開(kāi)采后形成的露天采坑、渣山和工業(yè)場(chǎng)地導(dǎo)致木里礦區(qū)的水、土地和植被資源均遭到了不同程度的破壞，由此引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。2020年，木里煤田啟動(dòng)了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工作。江倉(cāng)礦區(qū)位于木里煤田的東部，江倉(cāng)一號(hào)礦自20世紀(jì)70年代初開(kāi)始進(jìn)行煤炭開(kāi)采，淺部采用露天開(kāi)采，深部進(jìn)行井工開(kāi)采。在對(duì)江倉(cāng)一號(hào)礦露天采坑進(jìn)行回填治理的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了采坑回填可能會(huì)對(duì)采坑下方淺埋深井工巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的問(wèn)題。雖然目前井工礦已停工，但井工礦中仍有大量的設(shè)備，井工巷道的穩(wěn)定性直接關(guān)系到井工礦人員及設(shè)備出入的安全，保證井工巷道的穩(wěn)定性十分重要。井工巷道受露天采坑回填影響問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是回填體產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)原已處于應(yīng)力平衡狀態(tài)巷道的2次擾動(dòng)。相關(guān)學(xué)者對(duì)地面建/構(gòu)筑物產(chǎn)生的附加應(yīng)力及其對(duì)地下空間包括采空區(qū)及巷道的影響進(jìn)行了研究[1-6]。露天采坑回填時(shí)采用各種車(chē)輛進(jìn)行回填體運(yùn)輸、卸載、推覆等工藝也會(huì)對(duì)淺埋巷道產(chǎn)生擾動(dòng)影響，有些學(xué)者對(duì)施工方式與施工車(chē)輛載荷對(duì)地基、地下管道、淺埋隧道等的影響進(jìn)行了研究[7-15]。井工巷道具有一定自承載能力，一些學(xué)者對(duì)巷道圍巖破壞、冒落拱和平衡拱高度、外來(lái)擾動(dòng)和巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[16-20]。目前專(zhuān)門(mén)針對(duì)露天采坑回填對(duì)其下淺埋井工巷道穩(wěn)定性影響的研究較少，露天采坑回填除了帶來(lái)回填體的靜載和施工車(chē)輛及其動(dòng)載對(duì)井工巷道的影響，回填后采坑由于地勢(shì)原因積水，水體載荷和地表水與井下間的水力聯(lián)系對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響也不容忽視。

筆者通過(guò)對(duì)露天采坑回填時(shí)不同載荷形成附加應(yīng)力的計(jì)算，根據(jù)附加應(yīng)力影響深度和巷道極限承載高度的關(guān)系對(duì)露天采坑下井工巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)的條件和范圍，并給出保證巷道穩(wěn)定的技術(shù)措施。

1 研究區(qū)概況

江倉(cāng)一號(hào)礦海拔高度+3 670～+3 815 m，屬于高寒高海拔地區(qū)，目前地面已形成了最大深度約120 m，坑口面積約70.2萬(wàn) m3，容積約2 727萬(wàn) m3的露天采坑，采坑下方是井工礦一區(qū)段的準(zhǔn)備巷道系統(tǒng)。井工礦開(kāi)拓方式為斜井多水平片盤(pán)開(kāi)拓，設(shè)主、副、風(fēng)3條井筒，井下一水平標(biāo)高為+3 450 m。井下巷道與采坑回填體位置關(guān)系平面如圖1所示，沿一區(qū)段回風(fēng)石門(mén)做傾向剖面Ⅰ—Ⅰ和走向剖面Ⅱ—Ⅱ如圖2所示。圖中顯示距離采坑底部最近的有3條巷道：一區(qū)段回風(fēng)斜巷、+3 650運(yùn)輸石門(mén)和+3 650軌道石門(mén)。一區(qū)段回風(fēng)斜巷距離地表采坑最近處只有27.07 m。一區(qū)段回風(fēng)斜巷、+3 650運(yùn)輸石門(mén)和+3 650運(yùn)輸石門(mén)斷面都為半圓拱，現(xiàn)有支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)。

圖1 井下巷道與采坑回填位置關(guān)系平面圖

圖2 井下巷道與采坑回填位置關(guān)系剖面圖

2 回填體載荷

采坑回填后，將在其下方巖土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力。附加應(yīng)力是在外載荷(回填體)作用下產(chǎn)生的應(yīng)力增量。巷道開(kāi)挖和支護(hù)后，已經(jīng)達(dá)到初始平衡狀態(tài)，在附加應(yīng)力作用下，初始平衡狀態(tài)有可能被破壞，從而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。

采用法國(guó)數(shù)學(xué)家布辛奈斯克運(yùn)用彈性力學(xué)推出的豎向集中力在彈性體內(nèi)任一點(diǎn)所引起的應(yīng)力解析解，對(duì)回填體產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行求解。如圖3所示集中力作用模型，根據(jù)布辛奈斯克集中力作用下附加應(yīng)力的解，可得到任意點(diǎn)的豎向應(yīng)力的計(jì)算公式：

圖3 集中力作用模型

(1)

式中，σz為M點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力；F為集中力；r為M點(diǎn)與集中力作用點(diǎn)的水平距離，r2=x2+y2；z為M點(diǎn)的豎向深度，z≥0。

矩形面積均布載荷作用下回填體附加應(yīng)力計(jì)算利用式(1)進(jìn)行積分求解，如圖4所示，計(jì)算矩形面積均布載荷p0作用下的附加應(yīng)力如式(2)所示：

圖4 矩形面積均布載荷作用下的附加應(yīng)力

(2)

式中，p0為均布載荷；l為矩形面積的長(zhǎng)度；b為矩形面積的寬度。

考慮更一般的情況，對(duì)矩形平面下任一點(diǎn)M，深度為z，如圖5所示，在平面上的投影為O。平面圖分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個(gè)矩形。

圖5 矩形面積示意

按式(2)可列出M點(diǎn)的附加應(yīng)力如(3)所示。

(3)

分析式(3)，可得到矩形平面均布載荷下矩形平面中心點(diǎn)處。

即bx=1b/2，ly=1l/2位置處的豎向附加應(yīng)力最大，最大附加應(yīng)力為

(4)

其中，

p0=γsHs

(5)

式中，γs為回填體密度，根據(jù)回填體材料類(lèi)型取1 800 kg/m3；Hs為回填體高度。

3 車(chē)輛載荷

車(chē)輛載荷作用在地表路面，產(chǎn)生的載荷來(lái)源于2部分。一部分是車(chē)輛自重產(chǎn)生的靜態(tài)載荷，另一部分是車(chē)輛行駛過(guò)程中，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致車(chē)輪作用路面的車(chē)輛載荷。

按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2019)中對(duì)車(chē)輛載荷的處理方法，將車(chē)輛載荷簡(jiǎn)化為移動(dòng)恒載+沖擊載荷。先將車(chē)輛載荷簡(jiǎn)化為靜載荷(恒載)，假定車(chē)輛載荷按規(guī)范規(guī)定分配到各個(gè)車(chē)軸(三軸)，車(chē)輪作用在路面上的力為集中力，具體計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 車(chē)輛載荷集中分布示意

如圖6所示，M點(diǎn)總的豎向附加應(yīng)力為

σzM=σz(MO)+σz(MA)+σz(MB)+σz(MC)+σz(MD)+σz(ME)

(6)

式中，σzM為車(chē)輛載荷在M點(diǎn)引起的豎向附加應(yīng)力；σz(MO)，σz(MA)，σz(MB)，σz(MC)，σz(MD)分別為O～E處的集中載荷在M點(diǎn)產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力，可根據(jù)式(1)分別求出。

圖6中給出的是三軸載重汽車(chē)模型，x1和x2分別為車(chē)輛前中軸距和中后軸距，y0為輪距。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工車(chē)輛型號(hào)，F(xiàn)=920 kN，x1=3.8 m，x2=1.5 m，y0=2.7 m。

由式(6)計(jì)算得出的是車(chē)輛載荷產(chǎn)生的靜附加應(yīng)力，按相關(guān)規(guī)范，動(dòng)附加應(yīng)力可由靜附加應(yīng)力乘一沖擊系數(shù)得出：

(7)

則車(chē)輛產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力可表示為

σzM，max=(1+μ)σzM

(8)

4 采坑蓄水

4.1 蓄水載荷

回填后，預(yù)計(jì)采坑內(nèi)積水最終標(biāo)高為+3 772 m?？紤]回填體上方水體按其深度產(chǎn)生的自重加到巷道覆巖上，此時(shí)，

p0=γsHs+γwHw

(9)

其中，γw為水體密度，取1 000 kg/m3；Hw為水體高度。再按式(4)計(jì)算總的附加應(yīng)力。

4.2 地面井下水力聯(lián)系

回填后采坑逐漸蓄水，采坑水可通過(guò)回填體和覆巖內(nèi)的水力聯(lián)系通道進(jìn)入井下并可能對(duì)巷道穩(wěn)定性造成一定影響。

研究區(qū)地下水類(lèi)型主要可分為2類(lèi)。①為第4系含水層，即多年凍土層以上的第4系及季節(jié)性?xún)鐾翆?，含水層為砂土礫石層、粉砂巖、細(xì)砂巖；②為基巖裂隙含水層，主要分布在多年凍土層以下，含水層以砂巖、細(xì)砂巖裂隙水為主。第4系主要為砂土礫石層，整體透水性較好。由于研究區(qū)位于多年凍土分布區(qū)，地表水排泄條件良好，大氣降水或洪水期對(duì)礦床充水的影響很小。冷季時(shí)，采坑中的水以及地表以下一定范圍內(nèi)第4系處于凍結(jié)狀態(tài)形成隔水層，無(wú)法入滲到井下；暖季時(shí)，季節(jié)性?xún)鐾寥诨沟?系成為完全開(kāi)放的透水層，江倉(cāng)河水成為采坑水的主要補(bǔ)給來(lái)源。江倉(cāng)河水補(bǔ)給進(jìn)入采坑的水量、水質(zhì)與井工礦井排水量基本持平，說(shuō)明研究區(qū)主要補(bǔ)給源為江倉(cāng)河水，通過(guò)江倉(cāng)河侵蝕融區(qū)的基巖裂隙從采坑坡面排出并通過(guò)采坑和井下巷道之間覆巖中的水力聯(lián)系通道到達(dá)井下。根據(jù)井工礦實(shí)測(cè)資料，礦井涌水量為86 m3/h，礦井涌水量很小，礦井水文地質(zhì)類(lèi)型屬簡(jiǎn)單類(lèi)型，地面與井下水力聯(lián)系弱。

回填后，采坑水體至巷道的距離隨回填體高度而增大，采坑水必須通過(guò)回填體和覆巖內(nèi)的水力聯(lián)系通道才能進(jìn)入井下，在氣候條件和地質(zhì)條件都不變的情況下，可以預(yù)測(cè)，礦井涌水量跟回填前相比不會(huì)有明顯變化，地面井下的水力聯(lián)系對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響沒(méi)有加劇。

5 巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

5.1 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)附加應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律，當(dāng)附加應(yīng)力為該點(diǎn)自重應(yīng)力的10%時(shí)，可認(rèn)為附加應(yīng)力不再對(duì)巷道產(chǎn)生影響，此時(shí)的深度為附加應(yīng)力的影響深度Ha。如圖7所示，為使巷道保持穩(wěn)定，附加應(yīng)力的影響深度Ha和巷道極限承載高度Hb之和應(yīng)小于采坑回填前的巷道頂板埋深(覆巖厚度)H，即：H≥Ha+Hb。

圖7 附加應(yīng)力影響深度及巷道極限承載高度示意

對(duì)于淺埋巷道極限承載高度Hb，可根據(jù)土力學(xué)極限平衡理論求出。

如圖8所示，頂板巖塊bcde在重力G的作用下產(chǎn)生沉降，兩邊的楔形體abc和def也對(duì)其施加水平力P。巷道實(shí)際承載力Q為

圖8 巷道覆巖極限平衡示意

Q=G-2Ff

(10)

當(dāng)Q=0時(shí)，頂板上方巖層的重力恰好能保持自然平衡而不遭受破壞，此時(shí)Hb為巷道的極限承載高度。

G=2Ff

(11)

G=γbHb

(12)

式中，b為巷道寬度；γ為覆巖容重。

根據(jù)土力學(xué)理論，摩阻力Ff由被動(dòng)土壓力P乘以摩擦因數(shù)計(jì)算，被動(dòng)土壓力按如圖8所示的三角形面積計(jì)算。

(13)

式中，Ka為被動(dòng)土壓力系數(shù)；φ為土體內(nèi)摩擦角。

Ka=tan2(45°-φ/2)

(14)

聯(lián)立式(11)—式(14)，求得：

Hb=b/[(tanφ)tan2(45°-φ/2)]

(15)

一區(qū)段回風(fēng)石門(mén)及斜巷的寬度b為3.3 m，+3 650運(yùn)輸石門(mén)、+3 650軌道石門(mén)的寬度分別為3.2,3.4 m，內(nèi)摩擦角φ取30°，計(jì)算得到一區(qū)段回風(fēng)石門(mén)及斜巷的極限承載高度為17.15 m，+3 650膠帶石門(mén)的極限承載高度為16.63 m，+3 650軌道石門(mén)的極限承載高度為17.67 m。

5.2 評(píng)價(jià)位置

將巷道(一區(qū)段回風(fēng)斜巷)上方回填體簡(jiǎn)化為矩形面積載荷，考慮不利情況(巷道距離原采坑剖面線最近)，如圖9所示，在Ⅰ—Ⅰ剖面圖上選取A、B、C、D、E、F、G、H八個(gè)點(diǎn)。選擇依據(jù)如下：A點(diǎn)是一區(qū)段回風(fēng)斜巷的變坡點(diǎn)，在A點(diǎn)以前，地表由坑底起坡，覆巖厚度逐漸增大。在A點(diǎn)以后，隨著A點(diǎn)下方回風(fēng)斜巷開(kāi)始起坡，覆巖厚度逐漸減小，地表回填體的影響隨之增大。在H點(diǎn)之后，隨坑底坡度急劇增大，覆巖厚度也隨之增大。如圖10所示，在東西向剖面圖上選取I、J、K三個(gè)點(diǎn)。采用式(4)和(7)計(jì)算回填體及車(chē)輛載荷產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力隨深度變化情況。

圖9 Ⅰ—Ⅰ采坑回填后剖面圖

圖10 Ⅱ—Ⅱ采坑回填后剖面圖

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

考慮到回填后采坑內(nèi)積水需要一定時(shí)間才能達(dá)到預(yù)計(jì)標(biāo)高，先按“回填體+車(chē)輛載荷”計(jì)算的最大附加應(yīng)力影響深度及巷道穩(wěn)定狀態(tài)見(jiàn)表1。

由表1，雖然一區(qū)段回風(fēng)斜巷能保持整體穩(wěn)定，但局部D點(diǎn)、E點(diǎn)和I點(diǎn)的安全覆巖厚度不足1 m。

表1 考慮回填體和車(chē)輛載荷時(shí)巷道穩(wěn)定狀態(tài)

考慮回填后采坑最終積水到+3 772 m標(biāo)高，按“回填體+車(chē)輛+水體載荷”計(jì)算的最大附加應(yīng)力影響深度及巷道穩(wěn)定狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2 考慮回填體、車(chē)輛和水體載荷時(shí)巷道穩(wěn)定狀態(tài)

由表2，考慮水體載荷后，一區(qū)段回風(fēng)斜巷在A點(diǎn)和H點(diǎn)之間都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D7.0對(duì)回填前、后和采坑積水條件下巖體破壞區(qū)進(jìn)行了模擬，模型如圖11所示。巷道考慮支護(hù)條件，采用pile結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行支護(hù)模擬。采坑積水載荷按照水體在回填體和坡體上方的高度產(chǎn)生的水壓施加地表邊界條件，如圖11c所示。圖12為模擬得到的回填前、回填后和采坑積水條件下巖體破壞區(qū)分布情況。如圖12所示，回填前，巷道覆巖在起坡后55 m范圍出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)高度沒(méi)有波及到地表；回填后的巷道覆巖塑性區(qū)范圍和高度增加，但仍然沒(méi)有到達(dá)地表；回填地表積水后，巷道覆巖塑性區(qū)水平范圍進(jìn)一步增加到約60 m，回填體的破壞深度與覆巖破壞高度幾乎溝通，巷道具有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，與理論計(jì)算的結(jié)論相符。需要采取措施保證井工巷道安全。

圖11 采坑回填前后數(shù)值計(jì)算模型

圖12 采坑回填前后巷道覆巖破壞狀況

5.4 安全措施

采坑回填施工過(guò)程中，回填的區(qū)域、方向、回填的厚度及層次都會(huì)對(duì)下部井工巷道產(chǎn)生擾動(dòng)作用，施工不當(dāng)可能產(chǎn)生不均勻應(yīng)力、偏應(yīng)力、應(yīng)力集中等對(duì)巷道穩(wěn)定不利的影響。如圖13所示，將地面回填區(qū)域按照對(duì)應(yīng)地下井巷區(qū)域劃分為4個(gè)分區(qū)(回填區(qū)域1、回填區(qū)域2、回填區(qū)域3、回填區(qū)域4)，每個(gè)區(qū)域進(jìn)行分層回填，為了使回填壓力逐漸對(duì)稱(chēng)施加到井巷頂部，采用雙向?qū)ΨQ(chēng)回填，在分區(qū)分層雙向?qū)ΨQ(chēng)回填過(guò)程中，首先采用較緩的邊坡角度進(jìn)行推進(jìn)覆蓋，慢慢推進(jìn)到井工區(qū)域，再逐步回填到設(shè)計(jì)標(biāo)高+3 705 m，使基底應(yīng)力逐漸加大到最終狀態(tài)。

圖13 地面回填分區(qū)及回填方向

在井下巷道采用注漿錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，加強(qiáng)支護(hù)范圍為一區(qū)段回風(fēng)斜巷起坡后水平投影長(zhǎng)度60 m范圍，如圖14所示。

圖14 巷道加強(qiáng)支護(hù)段范圍

6 結(jié) 論

1)露井聯(lián)合礦區(qū)露天采坑回填會(huì)對(duì)其下方淺埋巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，主要影響因素包括：回填體載荷、車(chē)輛載荷和水體載荷。

2)采用彈性力學(xué)計(jì)算了回填體載荷、車(chē)輛載荷和水體載荷產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力，以最大附加應(yīng)力達(dá)到自重應(yīng)力10%時(shí)的深度作為附加應(yīng)力影響深度；采用極限平衡理論計(jì)算了巷道極限承載覆巖高度。

3)通過(guò)比較最大附加應(yīng)力影響深度與巷道極限承載覆巖高度之和與實(shí)際覆巖厚度的大小，評(píng)價(jià)了巷道不同位置處的穩(wěn)定性。

4)根據(jù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和數(shù)值模擬結(jié)果，確定了地面回填保護(hù)巷道范圍和井下巷道加強(qiáng)支護(hù)范圍，提出了地面分區(qū)分層雙向?qū)ΨQ(chēng)回填和井下錨注加強(qiáng)和監(jiān)測(cè)相結(jié)合的巷道保護(hù)方法。