巷道過超高冒落區(qū)安全掘進技術(shù)研究

郭 偉

（晉城煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

巷道在掘進過程中，容易發(fā)生冒頂事故，形成超高區(qū)。目前一般采用兩種方式處理：一是冒落穩(wěn)定后，清除頂部活矸，補強錨索，形成穩(wěn)定空洞；二是冒落穩(wěn)定后，采用無機或者有機發(fā)泡材料，支設模板，對頂部空間進行充填。這兩種方式適合于冒落范圍較小、快速自穩(wěn)的情況，但對于冒落范圍大、持續(xù)影響的冒落區(qū)并不適合，很可能造成二次事故。晉煤集團趙莊煤業(yè)3301運輸順槽在掘進期間，發(fā)生一起嚴重的冒頂事故，以此為工程背景，進行超高冒落區(qū)治理技術(shù)研究。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)三盤區(qū)開采3#煤層，平均厚度5 m，近水平。3301 工作面為首采工作面，設計開采長度1500 m，采用綜合機械化放頂煤采煤法，布置一條運輸順槽和一條回風順槽，設計寬度為5 m，高度為2.5 m，架棚支護，棚間距1 m。

由于煤層厚度變化不均勻，兩條順槽均沿煤層底板掘進，上方約留有2.5 m 的頂煤。煤層上方為0.5～2 m 的泥巖偽頂，極不穩(wěn)定；直接頂為10.2 m泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，不穩(wěn)定，易冒落；基本頂為7 m 細粒砂巖層、穩(wěn)定。

3301 運輸順槽掘進至300 m 位置過正斷層，發(fā)生第1 次冒頂事故。上方2.5 m 厚頂煤、2 m 厚泥巖偽頂冒落，冒落長度6 m，寬度5 m，上方直接頂未冒落。對冒落煤巖體以及頂部活矸處理后，對頂板進行錨桿索補強，頂部形成4.5 m 高空洞，如圖1（a）所示。但是前方一直有水流出，沖刷頂板和煤幫，最終在2 周后，發(fā)生第2 次冒頂，上部直接頂冒落，冒落長度12 m，寬度6 m，冒落矸石將巷道填滿，上部遺留7 m 左右空洞，如圖1（b）所示。

2 冒落區(qū)注漿充填技術(shù)方案

2.1 處理方式

由于第1 次冒頂后，前方一直出水，出水量約5 m3/h，對煤幫和頂板沖刷腐蝕嚴重，導致圍巖松散、完整性差，基本喪失承載能力。因此，發(fā)生第2 次冒落后，頂板持續(xù)下沉，長時間不能穩(wěn)定，迎頭位置架棚頂梁在2 d 內(nèi)下沉800 mm。說明直接頂壓力傳遞到了冒落區(qū)兩側(cè)未冒落區(qū)，如不立即處理，冒頂有延展可能，現(xiàn)場如果直接清除下部碎矸，危險極大。并且3301 運輸順槽為回采巷道，將來3301工作面回采產(chǎn)生動壓影響，會造成二次破壞。因此，處理高冒區(qū)工程具備緊迫性、危險性、后期再次破壞特征，并且底部冒落碎矸區(qū)與頂部空洞區(qū)漿液擴散性質(zhì)完全不同，處理方式也不一致，需要采用不同的材料和工藝。

圖1 冒頂形態(tài)示意圖

綜合考慮，計劃采取全部注漿充填法。通過注漿固結(jié)底部碎矸，通過充填填滿頂部空洞，使冒落區(qū)重新形成一個完整實體，然后在固結(jié)體中掘進。要求注漿、充填材料具備速凝早強特性，及時承載頂板，并盡可能節(jié)約材料成本。

2.2 止?jié){墻建設

由于迎頭處變形嚴重，在迎頭退后1 m 位置建設止?jié){墻。止?jié){墻厚度1 m，兩幫各掏槽500 mm，頂?shù)装甯魈筒?00 mm，下部預留排水孔，內(nèi)外邊界采用磚墻堆砌，中部灌注注漿材料。止?jié){墻如圖2 所示。

圖2 止?jié){墻建設示意圖

2.3 第一步：隔離區(qū)充填

止?jié){墻與冒落區(qū)之間有約1 m 長度的隔離區(qū)，約7 m3，無法直接向冒落區(qū)施工鉆孔。第一步采用高水充填材料進行充填，水灰比2:1，1 d 后強度達到2 MPa，即可開展下一步作業(yè)。

2.4 第二步：底部冒落碎矸區(qū)注漿

底部注漿先于頂部充填的原因是，底部為將來巷道掘進層位，必須采用高強度注漿材料進行加固，而頂部可以采用低強度的高水充填材料充填。如果先充填上部，大量低強度漿液會流入下部冒落碎矸區(qū)，影響底部強度。且底部冒落區(qū)目前十分破碎，難以打鉆進入頂部空間。

鉆孔設計：設計兩排鉆孔，上排鉆孔2 個，間距2.6 m，距離巷幫1.3 m，開孔高度距離頂板0.5 m，仰角9°，孔深14 m；下排鉆孔2 個，間距2.6 m，距離巷幫1.3 m，開孔高度距離底板1.5 m，仰角0°，孔深14 m。

注漿材料：與止?jié){墻中部灌注材料一致，是一種無機雙液注漿材料，分為A 型和B 型，使用水灰比0.8:1。混合后1～5 min失去流動性，8～15 min終凝，2 h 強度能夠達到10 MPa，1 d 強度18 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)止?jié){墻快速建設和破碎區(qū)快速加固。注漿材料單價約2500 元/t，單立方空間材料消耗960 kg。

注漿壓力：因漿液會部分竄入頂部空洞，注漿壓力暫不要求太高，達到2 MPa 即可。

2.5 第三步：頂部空洞充填

底部碎矸注漿結(jié)束后，進行頂部空洞充填。

鉆孔設計：將頂部空洞分為上、下兩段充填，設計上下兩個鉆孔，頂1#和頂2#，在止?jié){墻上開孔。頂1#孔開孔高度距離頂板0.5 m，孔深17 m，仰角63°；頂2#孔開孔高度距離底板1.5 m，孔深13 m，仰角50°。孔深代表下管長度。

充填材料：與隔離區(qū)灌注材料一致，為高水充填材料，分為A 型和B 型，使用水灰比2:1～3:1。混合后10～20 min 失去流動性，保證充足流動時間，充分充填，60～120 min 終凝，2 h 強度達到0.8 MPa，1 d 強度2 MPa，7 d 強度達到5 MPa。充填材料單價約1500 元/t，單立方空間材料消耗400 kg。

實施順序及壓力：先充填頂2#孔，后充填頂1#孔。頂1#孔充填最后階段加入發(fā)泡劑，使其主動膨脹接頂。以灌滿為目的，壓力不需太高，頂1#孔最終充填壓力2～3 MPa。

整體鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 注漿、充填鉆孔布置示意圖

3 掘進二次注漿及支護

3.1 掘進二次淺孔注漿

前期對底部冒落碎矸進行了第一次深孔注漿，但為了防止大量注漿材料進入頂部空洞造成浪費，注漿壓力不高，注漿擴散效果不佳。

掘進時進行淺孔二次注漿，對小裂隙進行填充。為保證擴散效果，采用循環(huán)注漿掘進方式：注漿鉆孔深度6 m，每注1 個循環(huán)，向前掘進4 m。預計3個循環(huán)出冒落區(qū)。注漿終止壓力不小于8 MPa。

淺孔鉆孔布置：布置上、中、下三排，每排3個，矩形布置。上排鉆孔開孔高度距離頂板0.2 m，仰角10°；中排鉆孔開孔高度距離頂板1 m，仰角0°；下排鉆孔開孔高度距離頂板1.8 m，仰角0°。孔深均為6 m。淺孔鉆孔布置平面圖如圖4 所示。

圖4 掘進二次淺孔注漿鉆孔布置平面圖

3.2 支護方案

（1）架棚支護。鋼棚間距縮小為0.7 m，棚間拉桿直徑20 mm，棚腿與巷幫之間空隙用板梁背緊，單體柱加強支護，一梁三柱。

（2）錨索加強支護。選用高強度、低松弛、大延伸率的鋼絞線錨索，長度7.3 m，垂直于頂板打設。排距1.4 m，每排3 根，間距1.5 m，采用鋼筋托梁連接。托盤規(guī)格為300×300×20 mm 鋼托盤，預緊力不小于150 kN。

錨索支護設計圖如圖5 所示。

圖5 架棚、錨索支護示意圖

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

掘進前的注漿累計實施16 d，三班施工，每班平均消耗材料約6 t。施工深孔8 個，其中4 個為底部冒落碎矸區(qū)鉆孔，2 個為頂部空洞充填鉆孔，2個為檢驗孔。使用雙液注漿材料110 t、高水充填材料160 t，材料總成本51.5 萬元。

4.2 效果考察

（1）掘進期間。注漿、充填結(jié)束7 d 后，開始掘進，發(fā)現(xiàn)冒落碎矸區(qū)漿液與碎矸粘接良好，形成完整整體，固結(jié)體堅硬，不發(fā)生片幫，巷道成型良好，用時8 d 安全通過冒落區(qū)。

（2）掘進后。掘進后在冒落區(qū)域布置3 組表面位移觀測站、頂板離層觀測站、錨索受力觀測站。經(jīng)過3 個月觀測發(fā)現(xiàn)，兩幫移近量不足50 mm，頂?shù)装逡平坎蛔?0 mm，頂板離層小于10 mm，錨索受力小于200 kN，且90%的變化發(fā)生在掘進后15 d 內(nèi)，之后基本不再變化。

5 結(jié)論

（1）對于持續(xù)變形的大型冒頂區(qū)治理，傳統(tǒng)的錨索補強支護、頂部填充并不適用，應采取全部注漿、充填法，并根據(jù)冒落區(qū)形態(tài)分開治理。

（2）在止?jié){墻建設和隔離區(qū)充填的基礎(chǔ)上，制定了“底部冒落碎矸區(qū)注漿+頂部空洞充填”的技術(shù)方案，采用兩種材料進行處理，均具備速凝早強特性，滿足了快速施工要求。

（3）制定了掘進期間二次淺孔注漿和錨索補強的支護方案，用時8 d 安全通過冒落區(qū)。掘進后礦壓監(jiān)測表明，巷道變形量極小，錨索受力穩(wěn)定，巷道在掘進15 d 后基本穩(wěn)定。