胡方芳

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限公司李雅莊煤礦，山西 臨汾 031499）

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限公司李雅莊煤礦采用綜合機(jī)械化開采方法，布置正規(guī)工作面。受以往小煤窯私挖濫采影響，井田內(nèi)分布大量廢棄空巷，對回采產(chǎn)生較大影響，頂板、瓦斯、水害威脅突出[1-2]。以2-618 工作面膠帶順槽掘進(jìn)過空巷為工程背景，研究過空巷冒落區(qū)綜合治理技術(shù)。

1 工程背景

李雅莊煤礦開采2#煤層，平均厚度3.3 m，煤層傾角8°。目前正在布置2-618 工作面，走向長度1050 m，傾斜長度230 m，布置2-6181 進(jìn)風(fēng)和2-6182 回風(fēng)兩條順槽。順槽直接頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度4.7 m，基本頂為中粒砂巖，平均厚度1.2 m。

順槽設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈高3.8 m，凈寬5.2 m，沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)方式。

頂錨桿長度2500 mm，間排距為800 mm×900 mm，幫錨桿長度2000 mm，間排距750 mm×900 mm。頂板采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，長度7200 mm，間排距1400 mm×1800 mm。

在2-6181 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)至685 m 進(jìn)尺時(shí)，揭露小煤窯空巷，空巷在順槽頂部，與順槽呈斜交關(guān)系，空巷內(nèi)已經(jīng)完全冒落塌實(shí)。揭露點(diǎn)發(fā)生持續(xù)的冒頂現(xiàn)象，最終在掘進(jìn)迎頭頂部形成一個(gè)直徑約5 m、高度約5 m 的漏斗狀空頂區(qū)，如圖1 和圖2 所示。目前掘進(jìn)已經(jīng)停止，需要處理后方可掘進(jìn)。

圖1 2-6181 進(jìn)風(fēng)順槽過空巷位置示意圖（m）

圖2 過空巷空頂區(qū)剖面圖（m）

2 空頂區(qū)分層全部充填方案

掘進(jìn)迎頭冒落高度大，冒頂空間內(nèi)圍巖十分破碎，雖然已經(jīng)不再掉落碎矸，但存在再次冒頂風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)劃退后1 m 左右，在已支護(hù)區(qū)域構(gòu)筑止?jié){墻，對冒落空間進(jìn)行全部充填，等充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再開始掘進(jìn)。

（1）充填管路預(yù)埋

提前預(yù)埋兩組管路，管路采用Φ25 mm 高壓膠管，兩組管路分別距離巷幫0.5 m，每組管路分為兩趟，一長一短，長管出漿口采用鋼筋梯梁固定至空頂區(qū)最高處，短管出漿口固定至巷道頂部。為防止充填過程中漏漿，掘進(jìn)迎頭退后1 m 實(shí)施一道止?jié){墻，止?jié){墻周邊采用編織袋等填塞密實(shí)，將管路從止?jié){墻上方引出。如圖3。

圖3 管路預(yù)埋示意圖（m）

（2）充填體分層設(shè)計(jì)

充填體采用上下分層設(shè)計(jì)形式。

下分層為掘進(jìn)高度范圍，即巷道高度，將來需要掘進(jìn)機(jī)截割，因此下分層采用低強(qiáng)度充填體，設(shè)計(jì)強(qiáng)度4 MPa，也有利于節(jié)約材料使用量。

上分層為掘進(jìn)高度范圍以上空頂區(qū)，充填采用高強(qiáng)度充填體，設(shè)計(jì)強(qiáng)度8 MPa，高強(qiáng)度充填體有利于掘進(jìn)期間頂板支護(hù)管理，也有利于將來工作面回采時(shí)動(dòng)壓影響下保持穩(wěn)定。如圖4。

圖4 分層充填示意圖

（3）分層充填材料

采用高水充填材料，為一種純無機(jī)材料，固態(tài)粉末狀，25 kg/包，分為A 型和B 型，A 型主要成分為硫鋁酸鹽水泥，B 型主要成分為脫水石膏。單漿攪拌后能夠存放2 h 不沉淀、不泌水，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離泵送，混合后快速反應(yīng)凝固，強(qiáng)度快速增長。

高水充填材料可以通過水灰比控制流動(dòng)性能和強(qiáng)度，滿足不同的工程需求，水灰比范圍為0.8:1～6:1，在各水灰比條件下均能完全凝固，不發(fā)生泌水。

根據(jù)分層充填強(qiáng)度要求，在下分層采用3:1 水灰比，在上分層采用1.5:1 水灰比。兩種水灰比條件下材料性能參數(shù)見表1。

表1 高水充填材料兩種水灰比下性能參數(shù)表

高水充填材料消耗預(yù)計(jì)：

下分層充填空間約118.5 m3，水灰比3:1，每1 m3空間材料消耗330 kg，消耗充填材料39.1 t。

上分層充填空間約98 m3，水灰比1.5:1，每 1 m3空間材料消耗560 kg，消耗充填材料54.9 t。

共需94 t，考慮空頂區(qū)周邊裂隙漿液流失等因素，按照1.1 倍系數(shù)準(zhǔn)備，實(shí)施充填現(xiàn)場需要準(zhǔn)備104 t 高水充填材料。

高水充填材料具備早強(qiáng)特性，3 d 強(qiáng)度可以達(dá)到最終強(qiáng)度的80%以上。充填完畢滿3 d 后，充填材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，方可拆除止?jié){墻，繼續(xù)掘進(jìn)。

（4）充填設(shè)備

采用大流量的ZBYSB210/9-18.5 kW 液壓注漿泵和JDW1000 型攪拌機(jī)作為注漿設(shè)備。

設(shè)備充填能力：采用連續(xù)充填方式，液壓注漿泵實(shí)際工作能力170 L/min，每小時(shí)可充填10 m3，現(xiàn)場總計(jì)充填空間216 m3，預(yù)計(jì)24 h 可完成充填。

（5）分層充填控制方式

先充填下分層，后充填上分層。

注漿泵連接第1 組短充填管，按照3:1 水灰比配置漿液。當(dāng)從第2 組短充填管發(fā)生返漿時(shí)，代表底部已經(jīng)充填完畢，拆管并封閉短充填管管口。

注漿泵連接第1 組長充填管，按照1.5:1 水灰比配置漿液。當(dāng)從第2 組長充填管發(fā)生返漿時(shí)，代表頂部基本充滿，可以將第2 組長充填管管口封閉。繼續(xù)注漿，直到達(dá)到2 MPa 左右注漿壓力時(shí)，代表已經(jīng)徹底注滿，拆管并封閉所有充填管管口。

（6）冒頂區(qū)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

在通過冒頂區(qū)后，對充填體進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止充填體墜落。

巷道原始支護(hù)設(shè)計(jì)頂錨索長度7200 mm，間排距1400 mm×1800 mm。對冒頂區(qū)域錨索進(jìn)行加密，每排3 根，間距不變，排距縮小至900 mm，過冒頂區(qū)后恢復(fù)正常支護(hù)形式。

3 冒落矸石區(qū)域預(yù)注漿加固方案

空頂區(qū)以外頂板為冒落矸石區(qū)域，長度約7 m，冒落矸石區(qū)域頂板破碎、疏松，對掘進(jìn)和支護(hù)存在較大影響：（1）掘進(jìn)工作面從下方經(jīng)過時(shí)，控頂困難，冒頂隱患突出；（2）在進(jìn)行錨索支護(hù)時(shí)，難以成孔，成孔后無法有效錨固，錨固力不足導(dǎo)致支護(hù)效果差。

為了解決掘進(jìn)和支護(hù)問題，必須提前對冒落矸石區(qū)域進(jìn)行注漿改造，提高頂板完整性和強(qiáng)度。在向前掘進(jìn)5 m 后，利用充填體作為止?jié){層，提前進(jìn)行預(yù)注漿加固。如圖5。

圖5 冒落矸石區(qū)域預(yù)注漿示意圖（m）

（1）預(yù)注漿鉆孔布置

預(yù)注漿加固范圍為巷道正上方及兩側(cè)頂板，加固高度超過錨索錨固端，有利于錨索錨固，錨索長度7.2 m，注漿鉆孔終孔位置在頂板上方8.5 m 左右。

鉆孔布置一排，共3 個(gè)鉆孔，間距2.1 m，開孔高度距離頂板0.3 m，孔深12 m，仰角均為55°，中間鉆孔垂直于巷道傾向，兩側(cè)鉆孔向兩側(cè)發(fā)散，與巷道走向中心線夾角10°，孔徑50 mm，采用架柱式鉆機(jī)施工。鉆孔布置如圖6。

圖6 預(yù)注漿鉆孔布置示意圖（m）

采用循環(huán)注漿方式，每往前掘進(jìn)5 m，進(jìn)行一輪預(yù)注漿，直到完全通過冒落矸石區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

（2）注漿材料

冒落矸石區(qū)域延伸范圍較大，注漿關(guān)鍵在于控制漿液擴(kuò)散范圍，僅對掘進(jìn)巷道上方及兩側(cè)一定范圍進(jìn)行加固即可，無序擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致注漿材料使用量增大，浪費(fèi)材料，因此注漿材料必須具備快速凝固的特性。

采用高水充填材料，1:1 水灰比，約1～2 min 失去流動(dòng)性，5～10 min 完全固化，2 h 強(qiáng)度10 MPa，1 d 強(qiáng)度18 MPa。

（3）封孔方式

注漿管采用“4 分鍍鋅鋼管+PVC 管”組合方式，孔內(nèi)全長插管，外部2 根采用4 分鍍鋅鋼管，規(guī)格為2 m/根，點(diǎn)焊鐵絲便于固定棉紗封孔，內(nèi)部全部采用PVC 管。

封孔長度2～4 m，視漏漿情況確定，漏漿嚴(yán)重取大值，不漏漿取小值。

（4）注漿工藝

注漿系統(tǒng)包括一臺(tái)ZBYSB210/9-18.5 kW 液壓雙液注漿泵、兩臺(tái)電動(dòng)攪拌桶JDW1000、2 個(gè)盛漿桶和若干管路。攪拌桶攪拌好的漿液放入盛漿桶后繼續(xù)制漿，雙液注漿泵通過兩趟管路分別輸送A 料和B 料，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，在充填點(diǎn)采用三通混合器混合。注漿終止壓力應(yīng)控制在4 MPa 左右。

4 實(shí)施效果考察

4.1 實(shí)施情況

預(yù)埋管路、止?jié){墻建設(shè)、現(xiàn)場準(zhǔn)備等用時(shí)2 d，空頂區(qū)充填消耗101 t，注漿使用22 t，共使用123 t高水充填材料。高水充填材料凝固速度快，隨充隨硬，未出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。共計(jì)耗時(shí)10 d 掘進(jìn)工作面完全通過冒落區(qū)。

4.2 效果考察

完成充填后1 d，向頂部施工窺視鉆孔，發(fā)現(xiàn)充填體與頂板緊密貼合，沒有離層，表明已經(jīng)完全充滿。充填后對頂板實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨固力足夠。掘進(jìn)工作面過充填區(qū)域和冒落矸石注漿區(qū)域時(shí)，頂板完整，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，安全快速通過。對冒頂區(qū)域進(jìn)行為期6 個(gè)月頂板觀測，頂板穩(wěn)定，未發(fā)生明顯下沉。

5 結(jié)論

（1）對掘進(jìn)迎頭冒頂區(qū)采用分層全部充填處理方案，下分層采用低強(qiáng)度充填體，設(shè)計(jì)強(qiáng)度4 MPa，上分層采用高強(qiáng)度充填體，設(shè)計(jì)強(qiáng)度8 MPa，并對空頂區(qū)以外的冒落矸石區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿加固。

（2）空頂區(qū)完全充滿填實(shí)，掘進(jìn)工作面安全快速通過充填區(qū)域和冒落矸石注漿區(qū)域，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象。充填區(qū)域頂板在6 個(gè)月觀測期限內(nèi)未發(fā)生明顯下沉。