人工造頂成巷技術(shù)在冒落區(qū)應(yīng)用與實(shí)踐

劉金廣

（開(kāi)灤集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

錢家營(yíng)-850主石門是三水平暗立井上部車場(chǎng)工程，巖巷穿層施工，位于單斜區(qū)域，東部斷層較發(fā)育，壓扭性逆斷層較多。巷道設(shè)計(jì)凈規(guī)格4.8 m×3.4 m（寬×高），設(shè)計(jì)工程量1 491 m，支護(hù)方式為錨噴支護(hù)，遇煤層或構(gòu)造帶時(shí)支護(hù)方式改為錨網(wǎng)噴加雙趟錨索聯(lián)合支護(hù)。該巷道掘進(jìn)870 m處時(shí)，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道斷面收斂率日達(dá)2%～5%，一周內(nèi)變形可達(dá)6%～8%，且在加固8 m錨索時(shí)錨孔見(jiàn)煤、坍孔嚴(yán)重且打不到穩(wěn)定巖層。隨后該掘進(jìn)迎頭出現(xiàn)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(dá)2年，如圖1所示。

圖1 -850主石門位置示意圖

2 對(duì)冒落區(qū)探測(cè)

發(fā)生冒落后，開(kāi)灤集團(tuán)先后多次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察勘探，以摸清實(shí)情、謀求對(duì)策。

2.1 瞬變電磁法探測(cè)

湖北煤炭地質(zhì)勘查院對(duì)迎頭區(qū)域進(jìn)行瞬變電磁法探測(cè)，探測(cè)成果報(bào)告顯示：在巷道前方有2處低阻區(qū)域發(fā)育，區(qū)域內(nèi)巖層視電阻率值較之周圍巖層相對(duì)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(qū)，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(cè)

華北理工大學(xué)采用YZT--Ⅱ型巖層探測(cè)儀進(jìn)行鉆孔窺視勘察迎頭情況，結(jié)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(jié)果示意圖

2.3 水平地應(yīng)力測(cè)試

山東科技大學(xué)采用應(yīng)力解除法在-850主石門鉆場(chǎng)區(qū)域2處布測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果：-850水平原巖應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力接近水平方向，最大主應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力бhmax，方位平均138.85°，最小水平主應(yīng)力бhmin，方位平均為230.55°，бhmax/бhmin比值平均為2.43，巷道受水平應(yīng)力方向性影響非常明顯。

原巖應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力與垂直應(yīng)力理論值基本相符：按照上覆巖重計(jì)算垂直應(yīng)力為21.50 MPa、實(shí)測(cè)值20.38 MPa，基本相符。垂直應(yīng)力影響主要顯現(xiàn)于巷道兩幫，是導(dǎo)致巷道兩幫破壞的主要因素。

3 對(duì)策研究

針對(duì)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(yīng)對(duì)手段，形成整體技術(shù)方案[1-6]。

3.1 多導(dǎo)孔置換高位瓦斯

在冒落區(qū)開(kāi)大直徑鉆孔，以強(qiáng)力通風(fēng)、噴水和噴漿液稀釋置換瓦斯，保證把空洞內(nèi)瓦斯降到安全值。

3.2 高強(qiáng)水泥固化實(shí)體圍巖

在冒落區(qū)周圍采用高強(qiáng)水泥固化圍巖體，通過(guò)超前鉆孔注漿，達(dá)到驅(qū)逐毒害氣體和圍巖固結(jié)目的。

3.3 松散巖體內(nèi)造頂

在松散巖體內(nèi)通過(guò)二層次注漿，安設(shè)多層次、多角度注漿錨桿，通過(guò)低壓力、多時(shí)段反復(fù)注漿，實(shí)施松散巖體內(nèi)造頂技術(shù)。

3.4 分布式注漿成巷

在固化松散體的基礎(chǔ)上，以小斷面、小塊體掘進(jìn)，每個(gè)小塊體及時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)

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

4 具體施工

綜合上述技術(shù)手段，形成“大冒落區(qū)立體置換人工造頂技術(shù)”是該巷道施工技術(shù)的精髓，施工過(guò)程中堅(jiān)持抗讓結(jié)合、及時(shí)泄壓、適時(shí)補(bǔ)強(qiáng)等原則，通過(guò)多層次、多時(shí)段注漿固結(jié)，人工造頂，同時(shí)重視支護(hù)工藝，確保安全施工和有效的支護(hù)。

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?jié)舛认♂尯笸ㄟ^(guò)鉆孔噴射高壓水、沖洗煤塵，進(jìn)一步降低空洞瓦斯?jié)舛群蜏囟取缮Ⅲw固結(jié)、通過(guò)鉆孔噴水泥漿固結(jié)冒落巖石→噴射混凝土、充填冒落空間和固結(jié)頂板[7,12]。

4.1.2 瓦斯置換

以2 m為一循環(huán)，每循環(huán)斷面布置2個(gè)進(jìn)風(fēng)孔、5個(gè)排氣孔，規(guī)格Φ（80～160）mm×（3 000～5 000）mm。超前冒落點(diǎn)10 m布置探孔，探清空洞位置和瓦斯?fàn)顩r后向空洞內(nèi)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(jìn)風(fēng)孔、排氣孔，在排氣孔內(nèi)設(shè)6分的壓風(fēng)軟管，控壓控速情況下向空洞漸進(jìn)壓風(fēng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣孔、巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛龋_保不超限、循序供風(fēng)。

2）排氣孔瓦斯?jié)舛鹊陀?%情況下，采用?90 mm噴漿軟管通過(guò)排氣孔噴水、每次10 min，降低空洞內(nèi)溫度和粉塵。

3）同樣手段通過(guò)排氣孔噴水泥漿，每孔噴0.5 m3左右，根據(jù)實(shí)際調(diào)控，封閉空洞內(nèi)巖壁，切斷瓦斯涌出途徑。

4）通過(guò)排氣孔向空洞內(nèi)噴射混凝土，以噴滿為原則，封閉正頂以外的所有鉆孔。

5）進(jìn)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(shí)停止注漿。

（6）2 m一個(gè)循環(huán)，漸進(jìn)施工。

4.1.3 人工造頂

1）固化松散巖體：利用超前錨桿進(jìn)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(guī)格為?24 mm×2 200mm；②穩(wěn)壓注漿：以注漿量控制每個(gè)孔，每孔不超過(guò)1 m3，溢漿即停；③預(yù)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(yù)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(shè)計(jì):按承載10 m以上的圍巖松散體，噴層厚度設(shè)計(jì)為330 mm，實(shí)際控制340 mm；②噴層結(jié)構(gòu)：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(wǎng)，確保噴層支護(hù)強(qiáng)度和韌度，如圖6所示。

圖6 人工造頂示意圖

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

按－850主石門使用功能，巷道采用半圓拱形，設(shè)計(jì)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(shí)采取預(yù)控注漿、三錨四噴層、地腳泄壓支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化，見(jiàn)圖7。

圖7 巷道支護(hù)斷面示意圖

4.2.1 噴層設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)噴層考慮承載10 m以上的圍巖松散體，噴層厚度設(shè)計(jì)為：30×10×1.1=330 mm，噴層總厚度設(shè)計(jì)為360 mm。

2）設(shè)計(jì)噴層結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)噴層中置入2層次鋼絲繩和1層次鋼筋網(wǎng)，確?？傮w支護(hù)強(qiáng)度、整體結(jié)構(gòu)飽含強(qiáng)大的韌度。

4.2.2 錨桿設(shè)計(jì)

1）錨桿規(guī)格為?22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨桿,間排距800 mm×800 mm。

2）錨桿分3個(gè)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(shè)計(jì)

考慮松散圍巖載荷和深部圍巖水平應(yīng)力，設(shè)計(jì)采用泄壓槽支護(hù)結(jié)構(gòu)，阻斷應(yīng)力傳遞。

1）泄壓槽設(shè)計(jì)：巷道兩幫地腳，水溝側(cè)1 600 mm×1 000 mm（寬×深）；無(wú)水溝側(cè)1 200 mm×800 mm（寬×深）。

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

3）時(shí)間控制：底開(kāi)挖后即注漿，普氏系數(shù)4以下巖石3～5 d澆筑，系數(shù)4以上巖石5～10 d澆筑。

4.2.4 注漿錨桿設(shè)計(jì)

1）注漿巷道主支護(hù)第3層次噴漿后實(shí)施。

2）注漿錨桿：?24 mm×2 200 mm（底部注漿錨桿長(zhǎng)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(shí)段控制：第1層次注漿時(shí)間為20～30 d，第2層次注漿時(shí)間一般控制在6個(gè)月左右，現(xiàn)場(chǎng)以監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為準(zhǔn)，如果巖有變化即進(jìn)行二層次注漿。

4.2.5 施工工藝

1）開(kāi)工準(zhǔn)備→加固巷道→圍巖注漿→松散巖體漿固化→開(kāi)掘→頂部噴漿→打錨桿掛繩→頂部再噴漿（完成一層次錨桿支護(hù)）→進(jìn)行二排一層次支護(hù)。

2）2排頂部支護(hù)后開(kāi)始刷幫→進(jìn)行幫部一層次錨桿支護(hù)→每4排幫部一層次支護(hù)后進(jìn)行錨桿二層次支護(hù)。

3）幫部二層次支護(hù)超前10～20 m后開(kāi)挖泄壓槽→第1次底部注漿→進(jìn)行三層次支護(hù)。

4）結(jié)合監(jiān)測(cè)情況確定進(jìn)行二次注漿→完成整個(gè)冒落區(qū)域巷道施工工藝。

5 結(jié)論

通過(guò)人工造頂技術(shù)應(yīng)用，-850主石門施工86 m順利通過(guò)冒落區(qū)、成功揭煤，目前已竣工20多個(gè)月，監(jiān)測(cè)兩幫移進(jìn)量最大為42 mm、底板移進(jìn)量最大83 mm，兩幫移進(jìn)量小于0.6%、底板移進(jìn)量小于2%，滿足使用要求，目前該巷道基本穩(wěn)定。