吳佐偉

（晉城煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

1 工程背景

趙莊煤業(yè)三盤區(qū)3307 工作面開采3#煤層，平均厚度5.5 m，設計開采長度904 m，傾向?qū)挾?10 m。設計兩條順槽，33071 巷和33072 巷，一條進風一條回風，目前正在掘進回采巷道。

33072 巷在煤層內(nèi)掘進，設計寬度為5 m，高度為4.5 m，原設計沿煤層頂板掘進。3#煤層上方有一層0.2～2 m 厚的泥巖偽頂，薄層狀，極破碎，隨掘隨冒，正常區(qū)域偽頂平均厚度0.4 m，直接頂為6 m 厚細粒砂巖，為穩(wěn)定巖層。

33072 巷頂板采用全錨索支護，錨索長度5.4 m，排距1.2 m，每排5 根，間距1.15 m。進入掘進進度240 m 位置時，泥巖偽頂區(qū)域變厚，鉆探得到前方60 m 長度泥巖偽頂厚度約1.5 m，為異常區(qū)域。如果繼續(xù)沿煤層頂板掘進，必然導致巷道偽頂冒落形成超高區(qū)，影響后期回采安全。因此，前方60 m范圍改為沿煤層底板掘進，留1 m 厚頂煤，用以維護泥巖偽頂，如圖1。但3#煤層裂隙發(fā)育，強度僅比偽頂略高，在掘進超前壓力作用下容易發(fā)生破壞變形，巷道掘進面臨極大的冒頂風險，必須采取加固措施，保障安全掘進。

圖1 巷道掘進方式示意圖

2 工程特性分析

33072 巷治理加固分為兩個階段：（1）安全掘進階段，對前方煤體和頂板進行預注漿加固，防止掘進期間發(fā)生冒頂；（2）掘進后頂板二次注漿和支護，對頂板形成的裂隙進行填充，并將注漿后完整巖體進行強力支護，維護巷道頂板長期穩(wěn)定。

掘進頭前方一定距離為動壓影響區(qū)，影響深度約5 m，此范圍內(nèi)裂隙快速發(fā)育，越靠近表面裂隙發(fā)育程度越高。掘進頭開挖后，由于支護需要滯后一定距離，頂板暴露處于無支護狀態(tài)，受拉作用明顯，撓曲下沉，進一步發(fā)展為離層冒落。因此，掘進頭注漿加固深度不宜過大，且必須提高頂板抗拉能力，要求注漿材料具備較高的粘結強度。建議采用馬麗散化學漿，將裂隙煤巖緊密粘結在一起，并利用鋼管等機械方式提高對頂板的承托作用。

掘進后頂板采用錨索支護，在掘進后到支護前時間差內(nèi)，松軟頂煤和偽頂再次發(fā)生離層，內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙。如果不進行注漿，井下潮濕環(huán)境下，風和水沿裂隙進入頂板內(nèi)部，持續(xù)風化作用導致破碎程度加劇，錨索錨固力衰減，最終造成支護失效，頂板嚴重變形。掘進后頂板可以采用注漿錨索，注漿作用以充填為主，注漿量大，建議采用水泥類無機材料，節(jié)約成本。

3 “掘進前預注+滯后注漿錨索”實施方案

3.1 掘進前預注

3.1.1 鉆孔布置

加固對象為掘進頭前方一定范圍內(nèi)的頂煤和偽頂。鉆孔設計一排，均垂直于巷道傾向，每排3個鉆孔，開孔高度距離頂板1 m，孔深8 m，終孔位置進入細粒砂巖層垂深1 m，孔徑42 mm，仰角35°。采取循環(huán)注漿方式，每3 m 一個循環(huán)，每注1 個循環(huán)，掘進3 m，再注1 個循環(huán)，再掘進3 m，交替進行。鉆孔布置平面圖如圖2（a），剖面圖如圖2（b）。

圖2 掘進前預注鉆孔布置示意圖

3.1.2 注漿材料

采用馬麗散化學漿注漿材料，為雙組分材料，A 組分主要成分為異氰酸酯，B 組分主要成分為多元醇，使用體積比1:1，主要性能如下：

（1）反應速度快?；旌虾缶S持液態(tài)45 s 左右，充分擴散，之后逐漸稠化，85 s 左右反應完畢完全硬化，能防止漏漿。

（2）粘結能力強。進入煤巖體微裂隙后緊密粘合，實測與煤巖體粘結強度大于2 MPa，無機注漿材料難以實現(xiàn)。

（3）韌性高。固結體內(nèi)聚力1.7 MPa，內(nèi)摩擦角38.6°，抗拉強度3.4 MPa，抗壓強度6.5 MPa，受拉彎曲不折斷，無機材料難以實現(xiàn)。

3.1.3 注漿管及注漿壓力

注漿管：本次采用直徑26 mm 的DN20 無縫鋼管，長度2 m/根，采用4 根，絲扣連接，最里端1根孔身開花孔，有利于漿液擴散，孔口棉紗封孔，長度200～500 mm。

注漿參數(shù)：注漿終止壓力4～6 MPa，由于頂煤和偽頂強度低，注漿壓力過大會造成頂板擠壓松動，注漿過程中時刻注意頂板狀況，出現(xiàn)異常時及時停泵換孔。

3.2 滯后注漿錨索

3.2.1 注漿錨索布置方式

將原來部分普通錨索替換為注漿錨索，長度仍為5.4 m，原普通錨索每排5 根，間距為1.15 m，排距為1.2 m，注漿錨索“五花”布置，第一排替代第1 根、第3 根、第5 根，第二排替代第2 根、第4 根，交替布置，所有錨索均垂直于頂板。注漿錨索布置方式如圖3。

3.2.2 注漿錨索實施方式

（1）打孔。設計錨索外露200 mm，則鉆孔深度5200 mm，垂直孔施工，采用錨索鉆機，32 mm鉆頭，成孔后孔口1 m 頂煤段采用42 mm 鉆頭擴孔。

（2）錨索安裝錨固。采用1 支快速樹脂藥卷和1 支中速樹脂藥卷，錨索送入孔底，攪拌錨固。

（3）封孔與張拉?？卓? m 擴孔段采用棉紗封孔，可采用1 根直徑比錨索略大的空心鋼管，套在錨索上往里推送棉紗，搗實，然后上鎖具、托盤進行張拉。注漿錨索安裝結構如圖4。

圖3 注漿錨索布置方式示意圖（單位：mm）

圖4 注漿錨索安裝結構示意圖

（4）注漿。采用耐固注漿材料（雙液），水灰比1:1，采用2ZBQ50/19 氣動注漿泵，通過特制注漿頭連接注漿錨索進行注漿。注漿終止壓力6～8 MPa，漏漿嚴重時可適當減低注漿終止壓力至4～6 MPa。

3.2.3 耐固注漿材料（雙液）

為防止注漿過程中漏漿無法封堵造成注漿失敗，本次采用的耐固注漿材料（雙液）為一種速凝早強型注漿加固材料[1-2]。

該材料為雙組分材料，固態(tài)粉末，A 組分主要成分為硫鋁水泥，B 組分主要成分為二水石膏，使用水灰比1:1，A 和B 體積比1:1，主要性能如下：

（1）反應速度快?；旌虾?0 s 良好流動性，能夠在裂隙中充分擴散，90～120 s 失去流動性，發(fā)生漏漿后能夠自行快速凝固封堵，克服了普通水泥凝固速度慢、漏漿難以處理的缺點，提高注漿量。

（2）強度增長迅速。10 min 左右漿液完全固化，2 h 強度10 MPa 以上，1 d 強度16～18 MPa。

（3）價格相對低廉。馬麗散約1.5 萬元/t，耐固注漿材料（雙液）約3000 元/t，配合1:1 水灰比，漿液成本約1500 元/t，約為化學漿的1/10。

3.2.4 注漿壓力

注漿參數(shù)：注漿終止壓力6～8 MPa。注漿過程中時刻注意頂板狀況，出現(xiàn)異常時及時停泵換孔。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

實施長度60 m，掘進前預注期間共施工21 個循環(huán)，每個循環(huán)3 個鉆孔，孔深8 m，累計進尺504 m，平均單孔注漿量1.2 t，換算每米巷道注漿量1.2 t。滯后注漿錨索實施期間，共施工125 根注漿錨索，平均單根錨索注漿量0.8 t，換算每米巷道注漿量1.6 t。

4.2 效果考察

預注后掘進，頂煤和頂板形成一個完整整體，可見大量漿液痕跡，注漿鋼管穩(wěn)定懸吊在頂板上，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，安全通過。巷道掘進5 個月后，在頂板施工鉆孔進行窺視，可見大量漿液，淺部分布較多，深部分布較少，未發(fā)現(xiàn)新的離層，如圖5，表明巷道掘進后頂板未發(fā)生明顯變形，已經(jīng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 頂板鉆孔窺視圖

5 結論

（1）依據(jù)頂板為軟弱頂煤和偽頂?shù)墓こ烫匦?，制定了“掘進前預注+滯后注漿錨索”實施方案。掘進前預注采取淺孔循環(huán)注漿方式，高粘結性的馬麗散化學注漿材料，滯后注漿錨索采用速凝早強、成本更低的耐固注漿材料（雙液）。

（2）效果考察表明，預注后掘進，頂煤和頂板形成一個完整整體，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，安全通過。掘進5 個月后進行頂板鉆孔窺視，未發(fā)現(xiàn)新的離層，表明巷道掘進后進入穩(wěn)定狀態(tài)。