晉牛煤礦溶洞性頂板巷道支護技術研究與應用

蔡 老 虎

(山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司,山西 臨汾 041000)

0 引言

受煤層賦存條件的影響，溶洞性頂板廣泛分布于我國許多礦區，由于其孔洞發育、圍巖整體性差，強度低，使得該類頂板巷道的支護比較困難[1-2]。本文以晉牛煤礦集中膠帶大巷為例，對溶洞性頂板巷道支護技術進行了一些探究，經過現場實踐，取得了良好的效果，并以期對類似地質條件巷道頂板支護提供參考和借鑒。

1 工程地質概況

晉牛煤礦位于霍西煤田，為低瓦斯礦井，采用斜井開拓，主要開采9+10+11號煤層。9+10+11號煤層賦存穩定，位于太原組下段頂部，厚度為4.32 m～6.91 m，傾角6°～13°。煤層直接頂板為K2灰巖，平均厚度11.62 m，普氏硬度11.2，平均抗壓強度111.5 MPa，平均抗拉強度3.29 MPa，平均抗剪強度為8.18 MPa，屬較穩定頂板。煤層底板為砂質泥巖，平均厚度5.21 m，普氏硬度為0.9，平均抗壓強度為8.9 MPa，平均抗拉強度為0.21 MPa，平均抗剪強度為0.61 MPa。集中膠帶大巷沿9+10+11號煤層頂板布置，頂板K2灰巖孔洞發育，造成頂板支護比較困難。溶洞情況如圖1所示。

集中膠帶大巷設計為矩形斷面，掘寬5 240 mm，掘高3 220 mm，采用錨網索噴聯合支護。頂錨桿布置方式為矩形布置，根據強力錨桿支護設計原則，巷道采用錨桿(索)和鋼筋梁組合支護系統，并進行強力錨索加強支護。錨桿采用φ20-M22-2 000 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，材質為專用錨桿BHR335鋼材,間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨固方式為樹脂加長錨固，錨固劑為一支MSCKa2335，一支MSCKb2360，錨桿預緊力矩為300 N·m，錨固力為100 kN。錨索材質為SKP17.8-1/1860-6300高強度低松弛預應力鋼絞線,布置方式為矩形布置，間排距為2 000 mm×2 400 mm，錨固劑為一支MSCKa2335，兩支MSCKb 2360，預緊力為200 kN。兩幫錨桿采用φ20×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 100 mm×1 200 mm，錨固方式為樹脂加長錨固，錨固劑為一支MSCKa2335，一支MSZ2360，錨桿預緊力矩為300 N·m，錨固力為100 kN。頂板和兩幫金屬網采用鐵絲編制的菱形網。巷道噴射混凝土厚度120 mm，強度等級為C20。

2 支護技術方案及參數

根據頂板孔洞范圍大小制定了三種支護方案，分別是：調整錨桿(索)位置或間排距方案；注漿加固頂板方案；可縮性金屬支架支護方案，現介紹如下：

1)調整錨桿(索)位置或間排距方案。

當頂板溶洞為孤立性孔洞或較小的脈狀分布時，施工錨桿(索)遇到此類孔洞，將錨桿(索)打眼位置向周圍偏移300 mm，一般可正常錨固。此類溶洞較多，施工時經常遇到，不需調整錨桿間排距。

若同一掘進循環出現多個較小的溶洞時，同時縮小錨桿(索)間排距，具體為錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨索間排距為2 000 mm×2 000 mm。

2)注漿加固頂板方案。

當頂板溶洞稍大或脈狀分布時，施工錨桿(索)遇到此類孔洞，將錨桿(索)打眼位置向周圍偏移300 mm，仍在溶洞范圍時，采用注漿加固頂板方案。

注漿加固頂板的作用機理是通過注漿泵向頂板溶洞內注漿，粘接溶洞內填充物，充填溶洞結構，提高巷道頂板的完整性，使圍巖自身承載能力有了較大的提高。

巷道支護程序為：施工注漿孔→注漿→交接后用錨桿(索)網正常支護→噴漿永久支護。

注漿加固頂板一般采用工業用水玻璃或高標號水泥漿，本巷道施工時，為了減少注漿時間，提高掘進效率，采用了山西安明宏遠防水材料有限公司的FSS凝固力加固材料進行注漿充填孔洞。對于脈狀溶洞，注漿時先用快硬材料在巷道肩部封堵溶洞，然后再進行注漿，效果較好。注漿完畢后15 min即可施工錨桿(索)進行永久支護。

支護完成后施工一頂板離層儀進行頂板離層觀測，巷道頂板離層量不大于10 mm，支護效果較好。

3)可縮性金屬支架支護方案。

當頂板溶洞較大時，注漿加固頂板時間較長，費用不經濟時，采用可縮性金屬支架支護方案。可縮性金屬支架支護的優點在于可縮，當圍巖來壓時，通過金屬支架的讓壓，被支護的巖體應力得到適量的釋放，從而經過應力重分布達到新的平衡狀態[3]；噴射混凝土與25U型鋼支架組合使用，使噴射混凝土包裹在25U型支架周圍，噴射混凝土和金屬支架共同承受圍巖壓力，可大幅度提高可縮性金屬支架極限承載力。

針對集中膠帶大巷240 m處采用梯形斷面施工時，頂板壓力較大時造成巷道圍巖變形、破壞嚴重的情況，結合現場實際條件，巷道斷面改用直墻半圓斷面施工，可縮性金屬支架支護。可縮性金屬支架采用25U型鋼制作，材質為Q235鋼材。支架間距800 mm，卡攬間距300 mm，搭接長度500 mm。螺絲扭距100 N·m～150 N·m。支架間采用φ20 mm圓鋼掛鉤固定，每架支架用5個掛鉤。

經過現場實踐，該方案對頂板溶洞范圍較大，圍巖應力較強的巷道支護，效果較為良好。

3 結語

為了能夠對溶洞性頂板巷道進行有效支護，快速掘進通過，根據在現場施工過程中遇到的溶洞大小不同的，提出了三種支護方案，經過工程實踐，取得了良好的效果。本文對溶洞性頂板巷道支護技術進行了探討及實踐，希望為類似地質條件的巷道支護提供一定的參考和借鑒。

參考文獻:

[1] 孟智慧.復合石灰巖頂板垮落特性研究[J].山西建筑，2009，35(24)：123-124.

[2] 黎 斌，范秋雁，秦風榮．巖溶地區溶洞頂板穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(4)：532-536.

[3] 周明敏.纖維混凝土—鋼組合支架在軟巖巷道支護中的研究與應用[D].南京：南京航空航天大學，2009：5.