晋牛煤矿溶洞性顶板巷道支护技术研究与应用

蔡 老 虎

(山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司,山西 临汾 041000)

0 引言

受煤层赋存条件的影响，溶洞性顶板广泛分布于我国许多矿区，由于其孔洞发育、围岩整体性差，强度低，使得该类顶板巷道的支护比较困难[1-2]。本文以晋牛煤矿集中胶带大巷为例，对溶洞性顶板巷道支护技术进行了一些探究，经过现场实践，取得了良好的效果，并以期对类似地质条件巷道顶板支护提供参考和借鉴。

1 工程地质概况

晋牛煤矿位于霍西煤田，为低瓦斯矿井，采用斜井开拓，主要开采9+10+11号煤层。9+10+11号煤层赋存稳定，位于太原组下段顶部，厚度为4.32 m～6.91 m，倾角6°～13°。煤层直接顶板为K2灰岩，平均厚度11.62 m，普氏硬度11.2，平均抗压强度111.5 MPa，平均抗拉强度3.29 MPa，平均抗剪强度为8.18 MPa，属较稳定顶板。煤层底板为砂质泥岩，平均厚度5.21 m，普氏硬度为0.9，平均抗压强度为8.9 MPa，平均抗拉强度为0.21 MPa，平均抗剪强度为0.61 MPa。集中胶带大巷沿9+10+11号煤层顶板布置，顶板K2灰岩孔洞发育，造成顶板支护比较困难。溶洞情况如图1所示。

集中胶带大巷设计为矩形断面，掘宽5 240 mm，掘高3 220 mm，采用锚网索喷联合支护。顶锚杆布置方式为矩形布置，根据强力锚杆支护设计原则，巷道采用锚杆(索)和钢筋梁组合支护系统，并进行强力锚索加强支护。锚杆采用φ20-M22-2 000 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，材质为专用锚杆BHR335钢材,间排距为1 000 mm×1 200 mm，锚固方式为树脂加长锚固，锚固剂为一支MSCKa2335，一支MSCKb2360，锚杆预紧力矩为300 N·m，锚固力为100 kN。锚索材质为SKP17.8-1/1860-6300高强度低松弛预应力钢绞线,布置方式为矩形布置，间排距为2 000 mm×2 400 mm，锚固剂为一支MSCKa2335，两支MSCKb 2360，预紧力为200 kN。两帮锚杆采用φ20×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 100 mm×1 200 mm，锚固方式为树脂加长锚固，锚固剂为一支MSCKa2335，一支MSZ2360，锚杆预紧力矩为300 N·m，锚固力为100 kN。顶板和两帮金属网采用铁丝编制的菱形网。巷道喷射混凝土厚度120 mm，强度等级为C20。

2 支护技术方案及参数

根据顶板孔洞范围大小制定了三种支护方案，分别是：调整锚杆(索)位置或间排距方案；注浆加固顶板方案；可缩性金属支架支护方案，现介绍如下：

1)调整锚杆(索)位置或间排距方案。

当顶板溶洞为孤立性孔洞或较小的脉状分布时，施工锚杆(索)遇到此类孔洞，将锚杆(索)打眼位置向周围偏移300 mm，一般可正常锚固。此类溶洞较多，施工时经常遇到，不需调整锚杆间排距。

若同一掘进循环出现多个较小的溶洞时，同时缩小锚杆(索)间排距，具体为锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，锚索间排距为2 000 mm×2 000 mm。

2)注浆加固顶板方案。

当顶板溶洞稍大或脉状分布时，施工锚杆(索)遇到此类孔洞，将锚杆(索)打眼位置向周围偏移300 mm，仍在溶洞范围时，采用注浆加固顶板方案。

注浆加固顶板的作用机理是通过注浆泵向顶板溶洞内注浆，粘接溶洞内填充物，充填溶洞结构，提高巷道顶板的完整性，使围岩自身承载能力有了较大的提高。

巷道支护程序为：施工注浆孔→注浆→交接后用锚杆(索)网正常支护→喷浆永久支护。

注浆加固顶板一般采用工业用水玻璃或高标号水泥浆，本巷道施工时，为了减少注浆时间，提高掘进效率，采用了山西安明宏远防水材料有限公司的FSS凝固力加固材料进行注浆充填孔洞。对于脉状溶洞，注浆时先用快硬材料在巷道肩部封堵溶洞，然后再进行注浆，效果较好。注浆完毕后15 min即可施工锚杆(索)进行永久支护。

支护完成后施工一顶板离层仪进行顶板离层观测，巷道顶板离层量不大于10 mm，支护效果较好。

3)可缩性金属支架支护方案。

当顶板溶洞较大时，注浆加固顶板时间较长，费用不经济时，采用可缩性金属支架支护方案。可缩性金属支架支护的优点在于可缩，当围岩来压时，通过金属支架的让压，被支护的岩体应力得到适量的释放，从而经过应力重分布达到新的平衡状态[3]；喷射混凝土与25U型钢支架组合使用，使喷射混凝土包裹在25U型支架周围，喷射混凝土和金属支架共同承受围岩压力，可大幅度提高可缩性金属支架极限承载力。

针对集中胶带大巷240 m处采用梯形断面施工时，顶板压力较大时造成巷道围岩变形、破坏严重的情况，结合现场实际条件，巷道断面改用直墙半圆断面施工，可缩性金属支架支护。可缩性金属支架采用25U型钢制作，材质为Q235钢材。支架间距800 mm，卡揽间距300 mm，搭接长度500 mm。螺丝扭距100 N·m～150 N·m。支架间采用φ20 mm圆钢挂钩固定，每架支架用5个挂钩。

经过现场实践，该方案对顶板溶洞范围较大，围岩应力较强的巷道支护，效果较为良好。

3 结语

为了能够对溶洞性顶板巷道进行有效支护，快速掘进通过，根据在现场施工过程中遇到的溶洞大小不同的，提出了三种支护方案，经过工程实践，取得了良好的效果。本文对溶洞性顶板巷道支护技术进行了探讨及实践，希望为类似地质条件的巷道支护提供一定的参考和借鉴。

参考文献:

[1] 孟智慧.复合石灰岩顶板垮落特性研究[J].山西建筑，2009，35(24)：123-124.

[2] 黎 斌，范秋雁，秦风荣．岩溶地区溶洞顶板稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(4)：532-536.

[3] 周明敏.纤维混凝土—钢组合支架在软岩巷道支护中的研究与应用[D].南京：南京航空航天大学，2009：5.