人工造頂成巷技術在冒落區應用與實踐

劉金廣

（開灤集團有限責任公司，河北 唐山 063000）

1 現場情況

錢家營-850主石門是三水平暗立井上部車場工程，巖巷穿層施工，位于單斜區域，東部斷層較發育，壓扭性逆斷層較多。巷道設計凈規格4.8 m×3.4 m（寬×高），設計工程量1 491 m，支護方式為錨噴支護，遇煤層或構造帶時支護方式改為錨網噴加雙趟錨索聯合支護。該巷道掘進870 m處時，礦壓顯現明顯，巷道斷面收斂率日達2%～5%，一周內變形可達6%～8%，且在加固8 m錨索時錨孔見煤、坍孔嚴重且打不到穩定巖層。隨后該掘進迎頭出現瓦斯壓力異常、涌出松散煤巖體近500 t，坍冒形成一千方左右空洞，施工中斷達2年，如圖1所示。

圖1 -850主石門位置示意圖

2 對冒落區探測

發生冒落后，開灤集團先后多次對現場勘察勘探，以摸清實情、謀求對策。

2.1 瞬變電磁法探測

湖北煤炭地質勘查院對迎頭區域進行瞬變電磁法探測，探測成果報告顯示：在巷道前方有2處低阻區域發育，區域內巖層視電阻率值較之周圍巖層相對較低，推斷可能為地層差異；在巷道正前方約70 m處上方，存在一異常區，其視電阻率較之周圍圍巖低，推斷可能為冒落空硐，如圖2所示。

圖2 -850主石門位置示意圖

2.2 巖層鉆孔探測

華北理工大學采用YZT--Ⅱ型巖層探測儀進行鉆孔窺視勘察迎頭情況，結果顯示：圍巖可窺視范圍最大破壞深度為8.6～12 m。如圖3所示。

圖3 窺視結果示意圖

2.3 水平地應力測試

山東科技大學采用應力解除法在-850主石門鉆場區域2處布測，實測結果：-850水平原巖應力場主應力接近水平方向，最大主應力為最大水平主應力бhmax，方位平均138.85°，最小水平主應力бhmin，方位平均為230.55°，бhmax/бhmin比值平均為2.43，巷道受水平應力方向性影響非常明顯。

原巖應力場垂直應力與垂直應力理論值基本相符：按照上覆巖重計算垂直應力為21.50 MPa、實測值20.38 MPa，基本相符。垂直應力影響主要顯現于巷道兩幫，是導致巷道兩幫破壞的主要因素。

3 對策研究

針對該巷道瓦斯壓力較大、圍巖破碎流變特性，多方論證確定以下應對手段，形成整體技術方案[1-6]。

3.1 多導孔置換高位瓦斯

在冒落區開大直徑鉆孔，以強力通風、噴水和噴漿液稀釋置換瓦斯，保證把空洞內瓦斯降到安全值。

3.2 高強水泥固化實體圍巖

在冒落區周圍采用高強水泥固化圍巖體，通過超前鉆孔注漿，達到驅逐毒害氣體和圍巖固結目的。

3.3 松散巖體內造頂

在松散巖體內通過二層次注漿，安設多層次、多角度注漿錨桿，通過低壓力、多時段反復注漿，實施松散巖體內造頂技術。

3.4 分布式注漿成巷

在固化松散體的基礎上，以小斷面、小塊體掘進，每個小塊體及時注漿自固，形成小斷面板塊到大斷面的疊加，最終成巷。

3.5 大底板塊支護結構

針對高地壓、大冒落和非對稱壓力的特點，采取特大不封閉澆筑板塊（使非對稱應力有釋放空間），以阻止水平應力對支護的破壞。

4 具體施工

綜合上述技術手段，形成“大冒落區立體置換人工造頂技術”是該巷道施工技術的精髓，施工過程中堅持抗讓結合、及時泄壓、適時補強等原則，通過多層次、多時段注漿固結，人工造頂，同時重視支護工藝，確保安全施工和有效的支護。

4.1 人造頂板

4.1.1 造頂工藝采取鉆孔輸送新鮮空氣、置換高濃度瓦斯→液體壓逸、即瓦斯濃度稀釋后通過鉆孔噴射高壓水、沖洗煤塵，進一步降低空洞瓦斯濃度和溫度→松散體固結、通過鉆孔噴水泥漿固結冒落巖石→噴射混凝土、充填冒落空間和固結頂板[7,12]。

4.1.2 瓦斯置換

以2 m為一循環，每循環斷面布置2個進風孔、5個排氣孔，規格Φ（80～160）mm×（3 000～5 000）mm。超前冒落點10 m布置探孔，探清空洞位置和瓦斯狀況后向空洞內立體置換，如圖4、5所示。

圖4 瓦斯置換示意圖

圖5 充填注漿示意圖

1）每排由巷頂布置進風孔、排氣孔，在排氣孔內設6分的壓風軟管，控壓控速情況下向空洞漸進壓風，實時監測排氣孔、巷道內瓦斯濃度，確保不超限、循序供風。

2）排氣孔瓦斯濃度低于1%情況下，采用?90 mm噴漿軟管通過排氣孔噴水、每次10 min，降低空洞內溫度和粉塵。

3）同樣手段通過排氣孔噴水泥漿，每孔噴0.5 m3左右，根據實際調控，封閉空洞內巖壁，切斷瓦斯涌出途徑。

4）通過排氣孔向空洞內噴射混凝土，以噴滿為原則，封閉正頂以外的所有鉆孔。

5）進行注漿，漿液從正頂孔外溢后停止，封閉正頂孔。再次加壓注漿1～1.5 m3，適時停止注漿。

（6）2 m一個循環，漸進施工。

4.1.3 人工造頂

1）固化松散巖體：利用超前錨桿進行固化。①超前注漿：錨桿間排距300 mm×300mm，其中傾角6°和傾角45°間隔布置，超前錨桿規格為?24 mm×2 200mm；②穩壓注漿：以注漿量控制每個孔，每孔不超過1 m3，溢漿即停；③預注漿漿液濃度:配比高于正常圍巖注漿，水比灰為：0.5～0.6∶1；④超前預注漿壓力：控制在1.5 MPa以下。

2）造頂噴層：松散巖體下人工造頂。①噴層設計:按承載10 m以上的圍巖松散體，噴層厚度設計為330 mm，實際控制340 mm；②噴層結構：4層次噴層，1層次噴厚80 mm、2層次噴厚100 mm、3層次噴厚100 mm、4層次噴厚60 mm；③韌體加固：噴層置入雙層次鋼絲繩和1層次鋼筋網，確保噴層支護強度和韌度，如圖6所示。

圖6 人工造頂示意圖

4.2 支護設計

按－850主石門使用功能，巷道采用半圓拱形，設計毛斷面6.6 m×5.2 m（寬×高）=27.45 m2，凈斷面5.6 m×4.7 m（寬×高）=20.15 m2。同時采取預控注漿、三錨四噴層、地腳泄壓支護進行強化，見圖7。

圖7 巷道支護斷面示意圖

4.2.1 噴層設計

1）設計噴層考慮承載10 m以上的圍巖松散體，噴層厚度設計為：30×10×1.1=330 mm，噴層總厚度設計為360 mm。

2）設計噴層結構為；4層次噴層，1層次噴厚為100 mm；2層次噴厚為100 mm；3層次噴厚為100 mm；4層次噴厚為60 mm。

3）設計噴層中置入2層次鋼絲繩和1層次鋼筋網，確保總體支護強度、整體結構飽含強大的韌度。

4.2.2 錨桿設計

1）錨桿規格為?22 mm×2 400 mm高強錨桿,間排距800 mm×800 mm。

2）錨桿分3個層次置入混凝土噴層中:第1層次錨桿置入1噴層后、第2層錨桿次置入2噴層后、3層次錨桿置入3噴層后。

4.2.3 泄壓槽設計

考慮松散圍巖載荷和深部圍巖水平應力，設計采用泄壓槽支護結構，阻斷應力傳遞。

1）泄壓槽設計：巷道兩幫地腳，水溝側1 600 mm×1 000 mm（寬×深）；無水溝側1 200 mm×800 mm（寬×深）。

2）板塊底構建：采取?24 mm×2 200 mm注漿錨桿，底板注漿，然后混凝土澆筑構筑板塊底。

3）時間控制：底開挖后即注漿，普氏系數4以下巖石3～5 d澆筑，系數4以上巖石5～10 d澆筑。

4.2.4 注漿錨桿設計

1）注漿巷道主支護第3層次噴漿后實施。

2）注漿錨桿：?24 mm×2 200 mm（底部注漿錨桿長度1 600 mm），間排距1 400 mm×1 400 mm。

3）注漿孔深度控制：頂3 000 mm、幫2 600 mm、底部2 000 mm。

4）時段控制：第1層次注漿時間為20～30 d，第2層次注漿時間一般控制在6個月左右，現場以監測監控數據為準，如果巖有變化即進行二層次注漿。

4.2.5 施工工藝

1）開工準備→加固巷道→圍巖注漿→松散巖體漿固化→開掘→頂部噴漿→打錨桿掛繩→頂部再噴漿（完成一層次錨桿支護）→進行二排一層次支護。

2）2排頂部支護后開始刷幫→進行幫部一層次錨桿支護→每4排幫部一層次支護后進行錨桿二層次支護。

3）幫部二層次支護超前10～20 m后開挖泄壓槽→第1次底部注漿→進行三層次支護。

4）結合監測情況確定進行二次注漿→完成整個冒落區域巷道施工工藝。

5 結論

通過人工造頂技術應用，-850主石門施工86 m順利通過冒落區、成功揭煤，目前已竣工20多個月，監測兩幫移進量最大為42 mm、底板移進量最大83 mm，兩幫移進量小于0.6%、底板移進量小于2%，滿足使用要求，目前該巷道基本穩定。