人工造顶成巷技术在冒落区应用与实践

刘金广

（开滦集团有限责任公司，河北 唐山 063000）

1 现场情况

钱家营-850主石门是三水平暗立井上部车场工程，岩巷穿层施工，位于单斜区域，东部断层较发育，压扭性逆断层较多。巷道设计净规格4.8 m×3.4 m（宽×高），设计工程量1 491 m，支护方式为锚喷支护，遇煤层或构造带时支护方式改为锚网喷加双趟锚索联合支护。该巷道掘进870 m处时，矿压显现明显，巷道断面收敛率日达2%～5%，一周内变形可达6%～8%，且在加固8 m锚索时锚孔见煤、坍孔严重且打不到稳定岩层。随后该掘进迎头出现瓦斯压力异常、涌出松散煤岩体近500 t，坍冒形成一千方左右空洞，施工中断达2年，如图1所示。

图1 -850主石门位置示意图

2 对冒落区探测

发生冒落后，开滦集团先后多次对现场勘察勘探，以摸清实情、谋求对策。

2.1 瞬变电磁法探测

湖北煤炭地质勘查院对迎头区域进行瞬变电磁法探测，探测成果报告显示：在巷道前方有2处低阻区域发育，区域内岩层视电阻率值较之周围岩层相对较低，推断可能为地层差异；在巷道正前方约70 m处上方，存在一异常区，其视电阻率较之周围围岩低，推断可能为冒落空硐，如图2所示。

图2 -850主石门位置示意图

2.2 岩层钻孔探测

华北理工大学采用YZT--Ⅱ型岩层探测仪进行钻孔窥视勘察迎头情况，结果显示：围岩可窥视范围最大破坏深度为8.6～12 m。如图3所示。

图3 窥视结果示意图

2.3 水平地应力测试

山东科技大学采用应力解除法在-850主石门钻场区域2处布测，实测结果：-850水平原岩应力场主应力接近水平方向，最大主应力为最大水平主应力бhmax，方位平均138.85°，最小水平主应力бhmin，方位平均为230.55°，бhmax/бhmin比值平均为2.43，巷道受水平应力方向性影响非常明显。

原岩应力场垂直应力与垂直应力理论值基本相符：按照上覆岩重计算垂直应力为21.50 MPa、实测值20.38 MPa，基本相符。垂直应力影响主要显现于巷道两帮，是导致巷道两帮破坏的主要因素。

3 对策研究

针对该巷道瓦斯压力较大、围岩破碎流变特性，多方论证确定以下应对手段，形成整体技术方案[1-6]。

3.1 多导孔置换高位瓦斯

在冒落区开大直径钻孔，以强力通风、喷水和喷浆液稀释置换瓦斯，保证把空洞内瓦斯降到安全值。

3.2 高强水泥固化实体围岩

在冒落区周围采用高强水泥固化围岩体，通过超前钻孔注浆，达到驱逐毒害气体和围岩固结目的。

3.3 松散岩体内造顶

在松散岩体内通过二层次注浆，安设多层次、多角度注浆锚杆，通过低压力、多时段反复注浆，实施松散岩体内造顶技术。

3.4 分布式注浆成巷

在固化松散体的基础上，以小断面、小块体掘进，每个小块体及时注浆自固，形成小断面板块到大断面的叠加，最终成巷。

3.5 大底板块支护结构

针对高地压、大冒落和非对称压力的特点，采取特大不封闭浇筑板块（使非对称应力有释放空间），以阻止水平应力对支护的破坏。

4 具体施工

综合上述技术手段，形成“大冒落区立体置换人工造顶技术”是该巷道施工技术的精髓，施工过程中坚持抗让结合、及时泄压、适时补强等原则，通过多层次、多时段注浆固结，人工造顶，同时重视支护工艺，确保安全施工和有效的支护。

4.1 人造顶板

4.1.1 造顶工艺采取钻孔输送新鲜空气、置换高浓度瓦斯→液体压逸、即瓦斯浓度稀释后通过钻孔喷射高压水、冲洗煤尘，进一步降低空洞瓦斯浓度和温度→松散体固结、通过钻孔喷水泥浆固结冒落岩石→喷射混凝土、充填冒落空间和固结顶板[7,12]。

4.1.2 瓦斯置换

以2 m为一循环，每循环断面布置2个进风孔、5个排气孔，规格Φ（80～160）mm×（3 000～5 000）mm。超前冒落点10 m布置探孔，探清空洞位置和瓦斯状况后向空洞内立体置换，如图4、5所示。

图4 瓦斯置换示意图

图5 充填注浆示意图

1）每排由巷顶布置进风孔、排气孔，在排气孔内设6分的压风软管，控压控速情况下向空洞渐进压风，实时监测排气孔、巷道内瓦斯浓度，确保不超限、循序供风。

2）排气孔瓦斯浓度低于1%情况下，采用ϕ90 mm喷浆软管通过排气孔喷水、每次10 min，降低空洞内温度和粉尘。

3）同样手段通过排气孔喷水泥浆，每孔喷0.5 m3左右，根据实际调控，封闭空洞内岩壁，切断瓦斯涌出途径。

4）通过排气孔向空洞内喷射混凝土，以喷满为原则，封闭正顶以外的所有钻孔。

5）进行注浆，浆液从正顶孔外溢后停止，封闭正顶孔。再次加压注浆1～1.5 m3，适时停止注浆。

（6）2 m一个循环，渐进施工。

4.1.3 人工造顶

1）固化松散岩体：利用超前锚杆进行固化。①超前注浆：锚杆间排距300 mm×300mm，其中倾角6°和倾角45°间隔布置，超前锚杆规格为ϕ24 mm×2 200mm；②稳压注浆：以注浆量控制每个孔，每孔不超过1 m3，溢浆即停；③预注浆浆液浓度:配比高于正常围岩注浆，水比灰为：0.5～0.6∶1；④超前预注浆压力：控制在1.5 MPa以下。

2）造顶喷层：松散岩体下人工造顶。①喷层设计:按承载10 m以上的围岩松散体，喷层厚度设计为330 mm，实际控制340 mm；②喷层结构：4层次喷层，1层次喷厚80 mm、2层次喷厚100 mm、3层次喷厚100 mm、4层次喷厚60 mm；③韧体加固：喷层置入双层次钢丝绳和1层次钢筋网，确保喷层支护强度和韧度，如图6所示。

图6 人工造顶示意图

4.2 支护设计

按－850主石门使用功能，巷道采用半圆拱形，设计毛断面6.6 m×5.2 m（宽×高）=27.45 m2，净断面5.6 m×4.7 m（宽×高）=20.15 m2。同时采取预控注浆、三锚四喷层、地脚泄压支护进行强化，见图7。

图7 巷道支护断面示意图

4.2.1 喷层设计

1）设计喷层考虑承载10 m以上的围岩松散体，喷层厚度设计为：30×10×1.1=330 mm，喷层总厚度设计为360 mm。

2）设计喷层结构为；4层次喷层，1层次喷厚为100 mm；2层次喷厚为100 mm；3层次喷厚为100 mm；4层次喷厚为60 mm。

3）设计喷层中置入2层次钢丝绳和1层次钢筋网，确保总体支护强度、整体结构饱含强大的韧度。

4.2.2 锚杆设计

1）锚杆规格为ϕ22 mm×2 400 mm高强锚杆,间排距800 mm×800 mm。

2）锚杆分3个层次置入混凝土喷层中:第1层次锚杆置入1喷层后、第2层锚杆次置入2喷层后、3层次锚杆置入3喷层后。

4.2.3 泄压槽设计

考虑松散围岩载荷和深部围岩水平应力，设计采用泄压槽支护结构，阻断应力传递。

1）泄压槽设计：巷道两帮地脚，水沟侧1 600 mm×1 000 mm（宽×深）；无水沟侧1 200 mm×800 mm（宽×深）。

2）板块底构建：采取ϕ24 mm×2 200 mm注浆锚杆，底板注浆，然后混凝土浇筑构筑板块底。

3）时间控制：底开挖后即注浆，普氏系数4以下岩石3～5 d浇筑，系数4以上岩石5～10 d浇筑。

4.2.4 注浆锚杆设计

1）注浆巷道主支护第3层次喷浆后实施。

2）注浆锚杆：ϕ24 mm×2 200 mm（底部注浆锚杆长度1 600 mm），间排距1 400 mm×1 400 mm。

3）注浆孔深度控制：顶3 000 mm、帮2 600 mm、底部2 000 mm。

4）时段控制：第1层次注浆时间为20～30 d，第2层次注浆时间一般控制在6个月左右，现场以监测监控数据为准，如果岩有变化即进行二层次注浆。

4.2.5 施工工艺

1）开工准备→加固巷道→围岩注浆→松散岩体浆固化→开掘→顶部喷浆→打锚杆挂绳→顶部再喷浆（完成一层次锚杆支护）→进行二排一层次支护。

2）2排顶部支护后开始刷帮→进行帮部一层次锚杆支护→每4排帮部一层次支护后进行锚杆二层次支护。

3）帮部二层次支护超前10～20 m后开挖泄压槽→第1次底部注浆→进行三层次支护。

4）结合监测情况确定进行二次注浆→完成整个冒落区域巷道施工工艺。

5 结论

通过人工造顶技术应用，-850主石门施工86 m顺利通过冒落区、成功揭煤，目前已竣工20多个月，监测两帮移进量最大为42 mm、底板移进量最大83 mm，两帮移进量小于0.6%、底板移进量小于2%，满足使用要求，目前该巷道基本稳定。