掘進巷道冒漏區(qū)聯(lián)合支護技術(shù)應(yīng)用探討

顧嵇毓，趙 林

（中檢集團公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277500）

巷道掘進過程中過地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)、老窯區(qū)等集中應(yīng)力區(qū)時，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，如頂板破碎、巷幫片幫、底鼓等[1-3]。 當錨桿（索）支護無法對應(yīng)力區(qū)圍巖起到有效控制作用時，很容易出現(xiàn)頂板冒漏、垮落等事故。 頂板出現(xiàn)冒漏時，圍巖之間靜摩擦力降低并出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[4]，圍巖內(nèi)裂隙增多，同時圍巖應(yīng)力在冒漏區(qū)內(nèi)進行釋放，加劇了圍巖破碎程度，使冒漏區(qū)范圍不斷擴大[5-6]。 因此，掘進巷道出現(xiàn)冒漏后若不采取合理有效的控制技術(shù)，很容易發(fā)生重大頂板事故。 本文以國源礦業(yè)開發(fā)有限公司61605 順槽巷道為工程實例，對巷道掘進期間頂板冒漏原因進行剖析，擬采用“人工假頂+ 注漿填充+ 架設(shè)工字鋼梁” 聯(lián)合支護技術(shù)的優(yōu)化解決方案。

1 工程概況

國源礦業(yè)開發(fā)有限公司61605 運輸順槽位于61 盤區(qū)北翼東側(cè)，距已回采61601 面約300 m，南接西翼開拓大巷，北至井田邊界。 相鄰的東側(cè)61603 工作面和西側(cè)61607 工作面均未采動。

61605 運輸順槽設(shè)計長度為1 156 m，掘進煤層為6#煤層，煤種為長焰煤，黑色，平均厚度為21.37 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 工作面區(qū)域煤層夾矸4～12 層，單層夾矸厚度0.1～0.6 m，夾矸平均總厚度2.78 m。 夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖及高嶺土；煤層平均傾角為1.5°。 煤層普氏硬度系數(shù)f=0～1.0，夾矸普氏硬度系數(shù)f=2.0～3.0，如表1所示。

表1 61605 運輸順槽掘進煤層頂?shù)装鍘r性

2 巷道冒漏原因分析

2.1 巷道掘進現(xiàn)狀

61605 運輸順槽采用EBZ260 型掘進機沿6#煤層頂板掘進，巷道掘進高度為3.7 m，掘進寬度為4.8 m。 根據(jù)6#煤層走向巷道前200 m 范圍內(nèi)近水平掘進，在200～520 m 段以5°下山掘進，520 m 后繼續(xù)近水平掘進。 截至2021年3月12日巷道已掘進270 m。

61605 運輸順槽掘進至258 m 處時揭露一條小落差F5斷層，落差為1.4 m，傾角為48°，巷道掘進至256 m 處時頂板出現(xiàn)破碎垮落，導(dǎo)致巷道256～265 m 段頂板出現(xiàn)超高，超高量達0.8 m。2020年3月12日早班巷道掘進至269 m 處時巷道中部出現(xiàn)破碎冒漏，冒漏高度為1.1 m；巷道繼續(xù)延伸掘進，巷道頂板出現(xiàn)大面積冒漏，掘進至272 m 處時，頂板冒漏高度達2.5 m。 冒漏區(qū)成半圓球形，沿巷道走向方向冒漏寬度為3.4 m，沿巷道兩幫方向冒漏寬度為3.8 m，冒漏區(qū)頂板以硅化煤以及破碎泥巖為主，無穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)。

2.2 冒漏原因分析

（1）頂板穩(wěn)定性差。 61605 運輸順槽掘進的6#煤層為復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過對頂板施工深度為15 m 窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，煤層頂板往上4.5 m 范圍內(nèi)含2層夾矸，4.5～11 m 范圍內(nèi)含4 層夾矸，11～15 m范圍內(nèi)含2 層夾矸；夾矸主要以炭質(zhì)泥巖、砂巖為主，總厚度為1.7 m。 煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，夾矸層破壞了6#煤層頂板的穩(wěn)定性，巷道在掘進過程中受掘進擾動影響煤層與夾矸之間出現(xiàn)蠕動破壞作用，主要表現(xiàn)在離層、斷裂、破碎等。

（2）構(gòu)造應(yīng)力影響。 61605 運輸順槽揭露的F5斷層與巷道夾角為54°，斷層從運輸順槽258 m處進入向左側(cè)揭露，斷層對巷道施工影響長度為22 m。斷層侵入后破壞了巷道圍巖連續(xù)穩(wěn)定性，削弱了圍巖抗剪強度[7]，在構(gòu)造應(yīng)力以及上覆巖層重力作用下，斷層兩側(cè)巖體產(chǎn)生交錯裂隙擴張破壞帶，導(dǎo)致斷層兩側(cè)煤巖體出現(xiàn)裂隙、破碎現(xiàn)象，降低圍巖穩(wěn)定性[8]。

（3）圍巖二次擾動影響。 61605 運輸順槽掘進至256～265 m 段頂板出現(xiàn)第一次垮落，導(dǎo)致巷道掘進超高。為了便于頂板管理，巷道從265 m 處開始留臺階下山掘進，留臺階時頂板預(yù)留難度大，臺階處頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道支護后無法形成穩(wěn)定的組合梁結(jié)構(gòu)，造成巷道頂板破碎、冒漏。

3 聯(lián)合支護技術(shù)

3.1 人工假頂

（1）超高區(qū)人工假頂

為了提高超高區(qū)頂板穩(wěn)定性，防止超高區(qū)頂板出現(xiàn)二次垮落，決定對巷道256～265 m 段超高區(qū)頂板施工人工假頂。

①首先在超高區(qū)沿巷道走向施工三排起吊W型鋼帶，每排布置三根長度為4.0 m 鋼帶，相鄰兩根鋼帶疊加布置；每根鋼帶用三根長度為4.5 m，直徑為17.8 mm 錨索起吊，如圖1 所示，每排走向鋼帶布置排距為2.0 m。

圖1 61605 運輸順槽人工假頂施工

②超高區(qū)走向鋼帶起吊完后橫向平鋪8 排鋼帶，鋼帶長度為4.5 m，橫向鋼帶與走向鋼帶之間采用14#鐵絲捆綁。

③超高區(qū)鋼帶起吊后，依次在鋼帶上平鋪鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布以及架設(shè)“井”字形木垛。 鋼筋網(wǎng)采用8#鐵絲編制而成。 鋼筋網(wǎng)長度為2.0 m，寬度為1.0 m。 木垛采用長度為1.5 m，寬度為0.2 m 道木鋪設(shè)而成，共計鋪設(shè)兩排，每排布置4 架木垛，木垛布置排距為3.0 m，布置間距為2.0 m。

④待超高區(qū)人工假頂施工完后，在超高區(qū)下方施工三架錨索吊棚，吊棚與巷道兩幫垂直布置，吊棚布置排距為3.5 m，吊棚施工完后采用張拉機具及時進行預(yù)緊。

（2）高冒區(qū)人工假頂

由于高冒區(qū)高度較高，高冒區(qū)圍巖極不穩(wěn)定，為了進一步增加高冒區(qū)圍巖整體穩(wěn)定性，對高冒區(qū)同樣施工人工假頂進行維護。

①首先在高冒區(qū)下方施工三架錨索吊棚，其中第一架錨索吊棚在距冒漏區(qū)邊緣0.5 m 處施工，相鄰兩架錨索吊棚布置排距為1.5 m，每架錨索吊棚采用三根長度為4.5 m，直徑為17.8 mm錨索起吊；所有錨索吊棚施工完后，保證吊棚在同一水平面上。

②錨索吊棚施工完后在吊棚上方鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)風(fēng)筒布，并鋪設(shè)一排長度為4.0 m 工字鋼梁，工字鋼梁沿巷道走向布置，鋼梁與吊棚之間采用卡纜固定，密集工字鋼梁布置間距為0.5 m。

③工字鋼梁鋪設(shè)完后在鋼梁上覆鋪設(shè)“井”字形木垛，木垛鋪設(shè)到位后必須與冒漏區(qū)頂板接觸嚴實。 木垛鋪設(shè)完后采用張拉機具對錨索吊棚進行預(yù)緊。

3.2 注漿填充

為了提高人工假頂質(zhì)量，防止假頂區(qū)出現(xiàn)有害氣體積聚現(xiàn)象，擬對高冒區(qū)及超高區(qū)人工假頂進行注漿封堵。

（1）61605 運輸順槽冒漏區(qū)決定采用由河南理工大學(xué)研發(fā)的輕質(zhì)無機充填材料進行填充封堵[9]，輕質(zhì)充填材料主要由A、B 兩種組分組成，混合水灰比為4:1。 該輕質(zhì)充填材料反應(yīng)溫度在35℃以下，充填2 min 后失去流動性，填充2 h 后完全膨脹凝固，凝固體強度達0.8 MPa，3 d 后凝固體強度達2.4 MPa。

（2）為了達到有效的充填效果，輕質(zhì)無機充填材料內(nèi)添加1.2%發(fā)泡劑以及0.8%的剝離纖維，填充后膨脹率達47%。 膨脹后的凝固體能夠快速滲透至假頂間隙內(nèi)并與頂板緊密貼合。 由于無機材料中混合有玻璃纖維，凝固體具有很強的韌性，提高了抗壓強度[10]。

（3）采用ZBYSB40/22-7.5 kW 液壓注漿泵進行注漿施工，注漿前將A、B 兩種材料放入攪拌桶內(nèi)均勻攪拌，將注漿軟管塞進假頂間隙內(nèi)，在注漿過程中出現(xiàn)返漿現(xiàn)象時立即停止注漿。

3.3 密集工字鋼棚

為了防止因假頂區(qū)頂板蠕動變形導(dǎo)致假頂垮落事故的發(fā)生，在假頂區(qū)架設(shè)密集工字鋼棚，進行聯(lián)合支護。

（1）密集工字鋼棚架設(shè)在巷道255～272 m段，鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，共計架設(shè)17 架工字鋼棚。 工字鋼棚主要由U29 型棚腿、11#工字鋼頂梁、卡纜、抱箍、連接圓鋼、底座、固定錨桿等部分組成。

（2）每根棚腿由兩節(jié)U29 型鋼組成，采用對插式連接，對接長度為0.2 m，對接后采用一組抱箍進行固定連接。 棚腿底端焊制一個長度及寬度為0.2 m 固定裝置，固定裝置與底座采用長度為120 mm，直徑為48 mm 的螺母進行固定。 棚腿頂端焊制一個長度及寬度為0.3 m 鋼板，鋼板上焊制兩個直徑為30 mm 圓孔，采用卡纜與頂梁進行固定。

（3）頂梁長度為4.5 m，頂梁兩端各焊制一個長度及寬度為0.3 鋼板與棚腿對接。 底座采用一塊長度及寬度各為0.5 m 的鋼板焊制而成，底座上焊制三個直徑為30 mm 圓孔，底座與底板采用地錨桿進行固定。

（4）工字鋼棚安裝順序：底座→棚腿（施工固定錨桿）→頂梁→連接桿。 鋼棚安裝時必須在巷道兩幫安裝中心線，鋼棚安裝后必須保證頂梁與頂板接觸預(yù)緊。 若局部區(qū)域頂板不平、破碎等無法實現(xiàn)頂梁與頂板接觸時，必須對間隙處采用水泥背板填充。

4 應(yīng)用效果

截止2021年8月，61605 運輸順槽已掘進完畢。 通過對冒漏區(qū)假頂處安裝兩臺GUD500 型頂板離層儀進行15 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，人工假頂施工完后在5 d 范圍內(nèi)，由于圍巖處于卸壓期，頂板出現(xiàn)蠕動變形，并伴隨著頂板下沉現(xiàn)象，實測下沉量為0.12 m；在5～12 d 范圍內(nèi)頂板蠕動變形現(xiàn)象逐漸減弱，頂板下沉量逐漸減?。辉?2 d 后頂板趨于穩(wěn)定，實測總下沉量為0.17 m，頂板未出現(xiàn)垮落破碎現(xiàn)象。

通過對61605 運輸順槽冒漏區(qū)以及超高區(qū)施工人工假頂并進行注漿封堵后，有效隔絕了空氣對頂板硅化煤的氧化作用，防止了煤層自燃現(xiàn)象，避免高冒區(qū)因風(fēng)流不暢導(dǎo)致出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象；通過對假頂下方及附近進行CO、CH4監(jiān)測，瓦斯?jié)舛任闯^0.3%，一氧化碳濃度在0.000 9%以下，未出現(xiàn)有害氣體超限現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）與單錨桿（索）支護相比，人工假頂可起到對超高區(qū)、冒落區(qū)等特殊區(qū)域進行大面積支護、填充、隔絕作用，支護難度小、成本費用低。 但假頂施工后很容易出現(xiàn)假頂區(qū)窩風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致假頂內(nèi)有害氣體超限，所以必須對假頂區(qū)進行注漿封堵。

2）與羅克休膨脹劑相比，輕質(zhì)無機充填材料具有凝固速度快、填充效果好、反應(yīng)發(fā)熱量小、成本費用低等優(yōu)點，假頂區(qū)填充膨脹材料后能夠快速與頂板接觸，起到冒漏區(qū)封堵的作用，提高了人工假頂韌性及強度。

3）工字鋼棚屬于被動支護，在假頂區(qū)下方架設(shè)密集工字鋼棚后可被動對假頂施加支撐作用力，防止假頂因頂板蠕動變形出現(xiàn)假頂下沉、垮落。 通過施工人工假頂后削弱了巷道頂板垂直應(yīng)力對巷道兩幫煤柱造成的剪切破壞作用，達到控制巷道兩幫收斂、破碎、垮冒的目的。