石门巷道大范围冒落区人工造顶技术施工工艺

摘要：开滦钱家营矿-850石门巷道在揭煤施工中出现瓦斯压力异常现象，迎头形成巨大冒落区，可探测空间高度超过10m，工程严重受阻，通过采取人工造顶技术，安全穿过冒落区。

关键词：冒落区;石门巷道;人工造顶

一、工程概况

钱家营-850石门巷道设计净规格4.8m×3.4m（宽×高），设计工程量1491m，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。巷道掘进870m处时，矿压显现明显，断面收敛率日达2-5%，一周内变形可达6-8%，且在加固8m锚索时锚孔见煤、坍孔严重且打不到稳定岩层。随后巷道掘进迎头出现瓦斯压力异常、涌出松散煤岩体近500t，坍冒形成1000m3左右空洞，施工中断达两年。

二、冒落区探测

采用瞬变电磁探测发现：巷道迎头前方有两处低阻区域，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70m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。

采用YZT--Ⅱ型岩层探测仪进行钻孔窥视勘察发现：巷道围岩可窥视范围最大破坏深度为8.6～12m。

采用应力解除法在-850石门巷道钻场区域测定结果表明：-850水平原岩应力场主应力接近水平方向，最大主应力为水平主应力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，可见-850石门巷道受水平应力方向性影响明显。实测原岩应力场垂直应力为20.38MPa，垂直应力是导致巷道两帮破坏的主要因素。

三、冒落区对策分析

针对-850石门巷道瓦斯压力较大、围岩破碎流变特性，结合国内技术经验[1-3]，分析对策如下：

（一）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。

（二）高强水泥固化巷道围岩。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。

（三）松散岩体内造顶。在松散岩体内通过二次注浆，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。

（四）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。

（五）大底板块支护结构。针对石门巷道高地压、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。

四、施工工艺

结合-850石门巷道生产、地质条件，采用大冒落区立体置换人工造顶技术对巷道进行加固处理。整体施工流程为：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。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。

（一）瓦斯置换

以两米为一循环，渐进施工。每循环断面布置两个进风孔、五个排气孔，规格Φ80～160㎜×3000～5000㎜。超前冒落点10米布置探孔，探清空洞位置和瓦斯状况后向空洞内立体置换。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。排气孔瓦斯浓度低于1%情况下，采用Ф90mm喷浆软管通过排气孔喷水、每次10分钟，降低空洞内温度和粉尘。同样手段通过排气孔喷水泥浆，每孔喷0.5m3左右，根据实际调控，封闭空洞内岩壁，切断瓦斯涌出途径。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。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1～1.5m3，适时停止注浆。

（二）人工造顶

利用超前注浆锚杆固化松散岩体，锚杆间排距300×300㎜，其中倾角6°和倾角45°间隔布置，超前锚杆规格为Φ24×2200㎜。以注浆量控制每个孔，每孔不超过1m3，溢浆即停。注浆浆液水灰比为0.5～0.6：1。注浆压力控制在1.5Mpa以下。

松散巖体下人工造顶。喷层按承载10米以上的围岩松散体设计，喷层厚度设计为330㎜，实际控制340㎜。四层次喷层，一层次喷厚80㎜、二层次喷厚100㎜、三层次喷厚100㎜、四层次喷厚60㎜。喷层置入双层次钢丝绳和一层次钢筋网，确保喷层支护强度和韧度。

（三）支护设计

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

巷道支护锚杆规格为Φ22×2400㎜高强锚杆，间排距800×800㎜。锚杆分三个层次置入混凝土喷层中：第一层次锚杆置入一喷层后、第二层锚杆次置入二喷层后、三层次锚杆置入三喷层后。

（四）泄压槽设计

设计采用泄压槽支护结构阻断应力传递。泄压槽设计在巷道两帮地脚，水沟侧1600×1000㎜（宽×深）;无水沟侧1200×800㎜（宽×深）。采取Φ24×2200㎜注浆锚杆，底板注浆，然后混凝土浇筑构筑板块底。底开挖后即注浆，普氏系数4以下岩石3～5d浇筑，普氏系数4以上岩石5～10d浇筑。

（五）注浆锚杆设计

第三层次喷浆后实施注浆巷道主支护。注浆锚杆规格Φ24×2200㎜（底部注浆锚杆长1600㎜），间排距1400×1400㎜。注浆孔深度：顶板3000㎜、帮部2600㎜、底板2000㎜。第一层次注浆时长20～30天，第二层次注浆时长6个月左右，如果岩性变化即进行二层次注浆。人工造顶施工效果见图1。

五、人工造顶施工效果

通过采用人工造顶技术，-850石门巷道施工86m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㎜、底板移进量最大83㎜、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。

六、结论

（一）钱家营煤矿-850石门巷道瓦斯压力大、围岩破碎严重、水平应力影响明显，掘进过程中易发生大面积冒顶灾害。（二）采用人工造顶技术，施工瓦斯置换、人工造顶、支护设计、泄压槽设计、注浆锚杆设计工艺后，-850石门巷道正常施工86m，安全通过冒落区。

参考文献：

[1]徐光亮，刘旭锋.煤矿破碎围岩注浆加固技术研究现状分析[J].煤矿安全，2016，47（1）：174-177.

[2]虎维岳，吕汉江.饱水岩溶裂隙岩体注浆改造关键参数的确定方法[J].煤炭学报，2012，37（4）：596-601.

[3]宗义江，韩立军，黄小忠，等.高承压水作用下突水巷道注浆恢复与支护技术[J].采矿与安全工程学报，2016，33（6）：992-998.

作者简介：

刘金广（1973-），男，河南南阳人，硕士研究生，高级工程师，主要从事煤矿巷道掘进的设计和施工管理工作。