吳佐偉

（晉城煤業(yè)集團(tuán)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(shè)計(jì)開采長(zhǎng)度904 m，傾向?qū)挾?10 m。設(shè)計(jì)兩條順槽，33071 巷和33072 巷，一條進(jìn)風(fēng)一條回風(fēng)，目前正在掘進(jìn)回采巷道。

33072 巷在煤層內(nèi)掘進(jìn)，設(shè)計(jì)寬度為5 m，高度為4.5 m，原設(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)。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(xì)粒砂巖，為穩(wěn)定巖層。

33072 巷頂板采用全錨索支護(hù)，錨索長(zhǎng)度5.4 m，排距1.2 m，每排5 根，間距1.15 m。進(jìn)入掘進(jìn)進(jìn)度240 m 位置時(shí)，泥巖偽頂區(qū)域變厚，鉆探得到前方60 m 長(zhǎng)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(jìn)，必然導(dǎo)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(jìn)，留1 m 厚頂煤，用以維護(hù)泥巖偽頂，如圖1。但3#煤層裂隙發(fā)育，強(qiáng)度僅比偽頂略高，在掘進(jìn)超前壓力作用下容易發(fā)生破壞變形，巷道掘進(jìn)面臨極大的冒頂風(fēng)險(xiǎn)，必須采取加固措施，保障安全掘進(jìn)。

圖1 巷道掘進(jìn)方式示意圖

2 工程特性分析

33072 巷治理加固分為兩個(gè)階段：（1）安全掘進(jìn)階段，對(duì)前方煤體和頂板進(jìn)行預(yù)注漿加固，防止掘進(jìn)期間發(fā)生冒頂；（2）掘進(jìn)后頂板二次注漿和支護(hù)，對(duì)頂板形成的裂隙進(jìn)行填充，并將注漿后完整巖體進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù)，維護(hù)巷道頂板長(zhǎng)期穩(wěn)定。

掘進(jìn)頭前方一定距離為動(dòng)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(jìn)頭開挖后，由于支護(hù)需要滯后一定距離，頂板暴露處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，受拉作用明顯，撓曲下沉，進(jìn)一步發(fā)展為離層冒落。因此，掘進(jìn)頭注漿加固深度不宜過(guò)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(jié)強(qiáng)度。建議采用馬麗散化學(xué)漿，將裂隙煤巖緊密粘結(jié)在一起，并利用鋼管等機(jī)械方式提高對(duì)頂板的承托作用。

掘進(jìn)后頂板采用錨索支護(hù)，在掘進(jìn)后到支護(hù)前時(shí)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(jìn)行注漿，井下潮濕環(huán)境下，風(fēng)和水沿裂隙進(jìn)入頂板內(nèi)部，持續(xù)風(fēng)化作用導(dǎo)致破碎程度加劇，錨索錨固力衰減，最終造成支護(hù)失效，頂板嚴(yán)重變形。掘進(jìn)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(wú)機(jī)材料，節(jié)約成本。

3 “掘進(jìn)前預(yù)注+滯后注漿錨索”實(shí)施方案

3.1 掘進(jìn)前預(yù)注

3.1.1 鉆孔布置

加固對(duì)象為掘進(jìn)頭前方一定范圍內(nèi)的頂煤和偽頂。鉆孔設(shè)計(jì)一排，均垂直于巷道傾向，每排3個(gè)鉆孔，開孔高度距離頂板1 m，孔深8 m，終孔位置進(jìn)入細(xì)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(gè)循環(huán)，每注1 個(gè)循環(huán)，掘進(jìn)3 m，再注1 個(gè)循環(huán)，再掘進(jìn)3 m，交替進(jìn)行。鉆孔布置平面圖如圖2（a），剖面圖如圖2（b）。

圖2 掘進(jìn)前預(yù)注鉆孔布置示意圖

3.1.2 注漿材料

采用馬麗散化學(xué)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(yīng)速度快。混合后維持液態(tài)45 s 左右，充分?jǐn)U散，之后逐漸稠化，85 s 左右反應(yīng)完畢完全硬化，能防止漏漿。

（2）粘結(jié)能力強(qiáng)。進(jìn)入煤巖體微裂隙后緊密粘合，實(shí)測(cè)與煤巖體粘結(jié)強(qiáng)度大于2 MPa，無(wú)機(jī)注漿材料難以實(shí)現(xiàn)。

（3）韌性高。固結(jié)體內(nèi)聚力1.7 MPa，內(nèi)摩擦角38.6°，抗拉強(qiáng)度3.4 MPa，抗壓強(qiáng)度6.5 MPa，受拉彎曲不折斷，無(wú)機(jī)材料難以實(shí)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(wú)縫鋼管，長(zhǎng)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(kuò)散，孔口棉紗封孔，長(zhǎng)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(qiáng)度低，注漿壓力過(guò)大會(huì)造成頂板擠壓松動(dòng)，注漿過(guò)程中時(shí)刻注意頂板狀況，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)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(lái)部分普通錨索替換為注漿錨索，長(zhǎng)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(shí)施方式

（1）打孔。設(shè)計(jì)錨索外露200 mm，則鉆孔深度5200 mm，垂直孔施工，采用錨索鉆機(jī)，32 mm鉆頭，成孔后孔口1 m 頂煤段采用42 mm 鉆頭擴(kuò)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(kuò)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(shí)，然后上鎖具、托盤進(jìn)行張拉。注漿錨索安裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)注漿泵，通過(guò)特制注漿頭連接注漿錨索進(jìn)行注漿。注漿終止壓力6～8 MPa，漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)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(guò)程中漏漿無(wú)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(qiáng)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(yīng)速度快。混合后60 s 良好流動(dòng)性，能夠在裂隙中充分?jǐn)U散，90～120 s 失去流動(dòng)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(diǎn)，提高注漿量。

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

（3）價(jià)格相對(duì)低廉。馬麗散約1.5 萬(wàn)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(xué)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(guò)程中時(shí)刻注意頂板狀況，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)停泵換孔。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

實(shí)施長(zhǎng)度60 m，掘進(jìn)前預(yù)注期間共施工21 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)3 個(gè)鉆孔，孔深8 m，累計(jì)進(jìn)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(shí)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(yù)注后掘進(jìn)，頂煤和頂板形成一個(gè)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(guò)。巷道掘進(jìn)5 個(gè)月后，在頂板施工鉆孔進(jìn)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(jìn)后頂板未發(fā)生明顯變形，已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 頂板鉆孔窺視圖

5 結(jié)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(jìn)前預(yù)注+滯后注漿錨索”實(shí)施方案。掘進(jìn)前預(yù)注采取淺孔循環(huán)注漿方式，高粘結(jié)性的馬麗散化學(xué)注漿材料，滯后注漿錨索采用速凝早強(qiáng)、成本更低的耐固注漿材料（雙液）。

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