任寶勤

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

由于頂板局部結(jié)構(gòu)變化等原因，巷道掘進(jìn)過程中或掘進(jìn)后，頂板冒落形成冒頂區(qū)。冒頂區(qū)懸露面積大、存在一定高度時，存在瓦斯積聚和再次冒頂風(fēng)險，必須及時處理。常規(guī)的處理方法包括木垛人工勾頂或高分子羅克休泡沫充填，存在一定的安全隱患[1-3]。本文以山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運輸大巷冒頂區(qū)為工程背景，研究冒頂區(qū)封閉和無機(jī)材料充填治理技術(shù)。

1 工程背景

山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運輸大巷目前正在掘進(jìn)當(dāng)中，絕大部分在4+5 號煤層中掘進(jìn)，采用矩形斷面，掘進(jìn)寬度5.9 m，掘進(jìn)高度4.65 m，掘進(jìn)斷面積27.44 m2。

4+5 號煤層平均厚度為4.5 m，結(jié)構(gòu)較簡單，夾矸多為泥巖。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.44 m，深灰色，水平層理，節(jié)理發(fā)育，局部巖芯破碎，底部含黃鐵礦。

巷道沿頂掘進(jìn)，由于直接頂節(jié)理發(fā)育、強度較低，在掘進(jìn)過程中局部區(qū)域出現(xiàn)了冒頂，冒頂區(qū)大多為不規(guī)則拱形，中部高，兩側(cè)低，頂部經(jīng)過了錨桿索支護(hù)，有大量錨索頭外露。主要存在4處冒頂區(qū)，具體統(tǒng)計見表1。

表1 中部集中輔助運輸大巷冒頂區(qū)統(tǒng)計表

傳統(tǒng)的冒頂區(qū)處理方式有兩種：（1）木垛人工勾頂；（2）注射高分子化學(xué)材料，如羅克休等。兩種方法都存在明顯的弊端，木垛人工勾頂效率低，作業(yè)危險性大，對頂板支護(hù)強度小，難以解決瓦斯積聚問題；羅克休泡沫充填效率雖高，但是充填物反應(yīng)過程中溫度較高，曾發(fā)生多起有機(jī)材料充填燃燒事故，安全隱患突出，目前已經(jīng)被限制使用。

本次計劃采用一種安全的無機(jī)充填材料，配合合理的泵送充填工藝，保證冒頂區(qū)充滿填實，同時材料絕對阻燃，反應(yīng)溫度較低。

2 冒頂區(qū)底部封閉方案

冒頂區(qū)為底部開放式結(jié)構(gòu)，而充填材料具備一定的流動性，充填前必須做好底部封閉。有兩種方式：

（1）方式一：下層支撐模板+頂部柔模袋，如圖1。頂部柔模袋的目的是柔模袋自身具備密閉性，可以有效防止漏漿，下層支撐模板保證充填體有著力點，底部平整。優(yōu)點是對模板密閉性要求不高，具備支撐作用即可，柔模袋本身密閉性解決了漏漿問題；缺點是增加了柔模袋采購成本，且柔模袋并不一定能保證嚴(yán)格貼幫、充滿填實，尤其是頂部不平整區(qū)域、錨索頭外露區(qū)域有縫隙。

圖1 方式一示意圖

（2）方式二：下層密閉模板+頂部插管灌注，如圖2。冒頂區(qū)下方模板需要嚴(yán)格多層密閉，然后通過注漿管伸入冒頂區(qū)頂部直接灌注充填。方案優(yōu)點是節(jié)約了柔模袋費用，材料能夠完全充滿填實，材料能夠滲入冒頂區(qū)周邊裂隙；缺點是對模板密閉性要求非常高，一旦密閉不嚴(yán)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的漏漿問題。

圖2 方式二示意圖

分析方式一和方式二，認(rèn)為方式二雖然操作較為復(fù)雜，但充填效果相對更好。

確定采用方式二封閉冒頂區(qū)，具體實施工藝如下：

（1）掏梁窩固定鋼梁。沿冒頂區(qū)下沿，在兩側(cè)巷幫掏對稱梁窩，梁窩間距600 mm，巷道寬度5.9 m，制作6.5 m 長π 型鋼梁，送入梁窩，固定在巷幫上，防止墜落，同時下方用單體柱支撐，單體柱間距1.1 m，每排5 根。在冒頂區(qū)下方按照600 mm間距依次鋪設(shè)固定鋼梁，形成底部初始支撐模板。

（2）π 型鋼梁上方鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)。采用10 cm×10 cm 網(wǎng)格的鋼筋網(wǎng)，鋪在π 型鋼梁上方，搭接寬度不小于300 mm，鋪設(shè)雙層。

（3）雙層鋼筋網(wǎng)上方鋪多層風(fēng)筒布。采用廢舊風(fēng)筒布，要求不能破損，沿鋼筋網(wǎng)上方依次搭接鋪設(shè)，搭接寬度不小于500 mm，至少鋪3 層。冒頂區(qū)邊緣處要沿邊緣向上至少鋪500 mm 高，盡量貼幫，固定在幫上。如圖3。

圖3 模板支設(shè)示意圖（m）

（4）沿巷道走向方向，在巷道正中位置，每隔2 m 左右往上插入一根注漿管，注漿管采用4 分或6 分鋼管，2 m/根，絲扣連接加長。注漿管頂端要接觸到頂板，注漿管在模板上位置要填塞棉紗，防止漏漿。如圖4。

圖4 注漿管布置示意圖（m）

3 無機(jī)充填材料及充填工藝

3.1 無機(jī)充填材料

冒頂區(qū)充填材料應(yīng)以充填體輕質(zhì)、固化快、膨脹倍數(shù)高、材料用量少、完全阻燃為主要原則，起到充滿填實、避免瓦斯積聚的目的。

本次使用的無機(jī)充填材料為一種純無機(jī)發(fā)泡材料，絕對阻燃，分A 型和B 型，分別加水?dāng)嚢?，水灰?.5:1，混合后約1～2 min 失去流動性，10～15 min 完全固化。成型后充填體密度約0.6 g/cm3，最高反應(yīng)溫度35 ℃，膨脹4～5 倍，2 h 強度0.6 MPa，3 d 強度2 MPa。

3.2 充填工藝

充填系統(tǒng)如圖5。注漿泵采用一臺2ZBQ50/19雙液氣動注漿泵，A 料B 料同步出漿，配備兩個氣動攪拌桶QB260，2 個盛漿桶。采用兩趟管路分別輸送兩種漿液，單漿可輸送500 m 左右，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。在充填點位置通過三通混合器混合，連接注漿管開始充填。

圖5 充填系統(tǒng)示意圖

充填過程中，注意事項如下：

（1）注意A 料和B 料配比，避免比例不均勻造成凝固速度慢；

（2）控制充填速度，給漿液足夠的凝固時間，防止模板壓力過大出現(xiàn)漏漿；

（3）要時刻注意漏漿情況，出現(xiàn)漏漿要及時停泵，加固模板；

（4）在高冒區(qū)最高位置插入1 根返漿管，返漿管有漿液流出作為充滿標(biāo)志，可以停止。

3.3 錨索補強

充填完畢后，向頂板施工錨索，將充填體吊掛在上層穩(wěn)定頂板上。錨索間排距1.5 m×1.5 m，長度7.3 m。

4 實施效果

4.1 實施情況

對4 處冒頂區(qū)實施了無機(jī)充填材料充填，實施情況見表2。4 處冒頂區(qū)總體積253 m3，模板支設(shè)累計用時34 h，純充填時間27 h，消耗無機(jī)充填材料49.2 t，實施速度快。

表2 冒頂區(qū)實施情況表

4.2 效果考察

冒頂區(qū)充填完畢后，實施錨索鉆孔。通過錨索鉆孔進(jìn)行鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)充填體與頂板緊密貼合，沒有縫隙。經(jīng)過連續(xù)2 個月的巷道頂板觀測，頂板下沉量幾乎為零。

5 結(jié)論

（1）采用“下層密閉模板+頂部插管灌注”方式，可以有效封閉冒頂區(qū)底部，治理效果更好。

（2）無機(jī)充填材料為純無機(jī)發(fā)泡材料，絕對阻燃，分為A 型和B 型，水灰比1.5:1，混合后約1～2 min 失去流動性，10～15 min 完全固化。成型后充填體密度約0.6 g/cm3，最高反應(yīng)溫度35 ℃，膨脹4～5 倍，2 h 強度0.6 MPa，3 d 強度2 MPa，可以滿足性能和安全要求。

（3）4 處冒頂區(qū)總體積253 m3，模板支設(shè)累計用時34 h，純充填時間27 h，消耗無機(jī)充填材料49.2 t，實施速度快，充填完畢后充填體與頂板緊密貼合，頂板下沉量幾乎為零。