大體積高冒區(qū)假頂封閉與無機充填技術研究

馬雁飛

（晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046600）

趙莊煤業(yè)復合頂板強度低，巷道掘進期間頂板不穩(wěn)定，遇地質(zhì)構造時情況更為嚴重，容易形成大范圍高冒區(qū)。高冒區(qū)存在瓦斯積聚、頂板再次冒落隱患[1-2]，威脅安全生產(chǎn)。以趙莊煤業(yè)53041 巷大體積高冒區(qū)為研究對象，研究無機材料充填技術。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)53041 巷為5304 工作面膠帶巷、進風巷，設計寬度6 m，高度3.8 m。在停采線以外過斷層區(qū)域時，因煤層錯茬、臥底掘進、頂板破碎等原因，平均坡度12°，掘進期間發(fā)生大范圍冒頂，形成長度約39 m 的高冒區(qū)。冒落穩(wěn)定后，對頂板采取了錨索支護和混凝土噴漿，目前頂板已經(jīng)穩(wěn)定不再冒落。每隔3 m 對高冒區(qū)高度進行實測，剖面如圖1。

圖1 高冒區(qū)剖面示意圖（m）

高冒區(qū)冒落高度0～6.6 m 不等，寬度6 m，初步測算空間1000 m3。高冒區(qū)在5304 工作面停采線以外，基本不受采動影響，但存在瓦斯積聚、頂板超高等風險，須進行處理。

以往高冒區(qū)處理多采用“井”字形木垛勾頂方式，降低巷道高度，對頂板有一定的支護作用，但木垛之間存在大量空隙，無法解決瓦斯積聚問題，且木垛勾頂工程量大、勞動強度大、作業(yè)危險。針對53041 巷大體積高冒區(qū)，計劃采用一種輕質(zhì)、絕對安全的無機充填材料，采用機械泵送方式進行全部填充，徹底消除安全隱患。

2 人工假頂封閉方案

向高冒區(qū)內(nèi)注入漿液狀的充填材料填充，必須做好底部封閉，防止漏漿。采用人工假頂對底部進行封閉。第一步通過頂部錨索安裝鋼絲繩懸吊工字鋼形成初步模板，鋪設木板風筒布進行封閉；第二步對高冒區(qū)兩端進行封堵處理；第三步埋設注漿充填管路，為漿液充填做準備。高冒區(qū)工字鋼示意圖如圖2。

圖2 高冒區(qū)工字鋼示意圖

2.1 工字鋼懸吊方式及強度驗算

1）懸吊方式

在高冒區(qū)頂板施工錨索，錨索施工高度應超過巷道正常高度，在高冒區(qū)平整、穩(wěn)定區(qū)域，保證錨固力。將Ф24 mm 鋼絲繩一端壓在錨索托盤下固定，沿巷道寬度方向每排施工3 根鋼絲繩，走向方向間距1 m，鋼絲繩下方懸吊12#工字鋼，工字鋼固定高度超過巷道正常高度200～300 mm，給后續(xù)整體噴漿留出空間，保證巷道可用高度。

2）強度驗算

充填體、工字鋼、木板、風筒布等重量都需要鋼絲繩進行承載，必須對承載能力進行驗算：

高冒區(qū)長度39 m，現(xiàn)場吊掛工字鋼間距1 m/根，每根工字鋼由3 根鋼絲繩吊掛，現(xiàn)場共計實施39 根工字鋼，117 根鋼絲繩。

選用的Ф24 mm 鋼絲繩懸吊能力達到150 kg/mm2以上，單根鋼絲繩最大承載載荷為67.8 t，117根鋼絲繩理論最大承載載荷7 932.6 t?，F(xiàn)場考慮鋼絲繩受力不均勻及其他因素，按照0.25 倍的安全系數(shù)進行計算，則117 根鋼絲繩承載能力為1 983.15 t，高冒區(qū)總長39 m，則每米承載能力為50.85 t。

金-多金屬硫化物階段：形成自然金-黃鐵礦-石英、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、輝銀礦等礦物組合，為金的主要成礦階段。自然銀及銀的硫化物在這個階段初步富集。

需承受載荷：① 充填材料質(zhì)量，預計消耗高冒區(qū)充填材料200 t，水灰比2:1，用水400 t，則總質(zhì)量600 t；② 其他質(zhì)量，包括鋼絲繩自重、工字鋼、木板、風筒布等，總質(zhì)量按5 t 計算；③ 總質(zhì)量為605 t，每米載荷為15.5 t。

按照兩種方式對承載能力進行驗算：

① 總質(zhì)量。需承載質(zhì)量605 t，總承載能力1 983.15 t，完全可以滿足要求。

② 按單位最大載荷。高冒區(qū)越高處承載載荷越大，最高處按照2 倍平均載荷計算，為31 t，小于每米平均承載能力50.85 t，可以滿足要求。

兩種驗算方式均表明設計承載能力絕對滿足安全使用要求。

2.2 高冒區(qū)底部封閉

1）鋪設木板。在初步構建的工字鋼模板上依次鋪上木板，木板要盡可能鋪嚴密，保證充填時受力均勻，采用鐵絲捆扎固定，防止移動。

2）鋪設風筒布。木板上層鋪設2 層風筒布，作為主要的防漏漿措施之一。風筒布要鋪設嚴實，尤其在高冒區(qū)邊緣要嚴格貼幫，貼幫高度不小于0.5 m，采用鐵絲等將風筒布固定在巷幫上。

2.3 高冒區(qū)兩端封堵

兩端位置形狀不規(guī)則，容易發(fā)生漏漿，采用柔模袋進行兩端封堵。

柔模袋制作成長方體，長5 m、寬4 m、高3 m，共制作4 個，兩端頭各兩個。放置方式：長5 m 沿著巷道走向方向，寬4 m 沿著巷道寬度方向，兩個并排放置，直接放置于假頂上，不需要吊掛。每個柔模袋頂部有兩個袖口，袖口朝開放的一側，如圖3。使用時一個袖口插入風管吹氣，使柔模袋脹起，另一個袖口插入注漿管，注入充填材料。

圖3 柔模袋安裝方式俯視圖（m）

3 高冒區(qū)無機充填方案

3.1 高冒區(qū)中部插管

做好假頂和兩端封堵后，對高冒區(qū)中部插管充填。插管工作可以在構建人工假頂時進行提前預埋，但應注意保護好注漿口，防止噴漿時將注漿管口堵塞。

注漿管采用6 分鐵管，根據(jù)漿液流動特性，每隔5 m 插一組注漿管，注漿管長度要到達高冒區(qū)頂部，如圖4。記錄每一組管的插管長度。充填時，先從高冒區(qū)整體較低處充，后往高處充，防止串漿。

圖4 高冒區(qū)插管示意圖

每組注漿管采用兩趟，長度和布置方式一致，一備一用，備用的注漿管同時起到排氣、返漿作用，檢驗高冒區(qū)是否充滿。

3.2 高冒區(qū)充填材料

53041 巷高冒區(qū)位于停采線以外，基本不受采動影響，充填的主要目的是徹底排出瓦斯，防止頂板繼續(xù)冒落。因此，充填材料無需過高強度，應以充填體輕質(zhì)、固化快、膨脹倍數(shù)高、材料用量少、完全阻燃為主要性能要求。

本次采用的高冒區(qū)充填材料為一種無機發(fā)泡材料，單組分，純無機粉末，完全阻燃抗靜電，使用時加水攪拌，水灰比2:1，失去流動性時間在6 min左右，固化時間約1～2 h，膨脹倍數(shù)約5 倍，充填體密度0.4 g/cm3，3 d 強度約2 MPa，成本不及羅克休等化學材料的1/5，反應溫度不超過50 ℃，符合高冒區(qū)充填要求。

3.3 充填設備

充填泵采用兩臺QBY-40 氣動隔膜泵，一備一用。攪拌采用兩個氣動攪拌桶QB260，2 個盛漿桶，可以采用鐵桶加工，攪拌桶攪拌好的漿液放入盛漿桶，2 臺攪拌桶交替制漿以實現(xiàn)連續(xù)供漿。

QBY-40 氣動隔膜泵，最大流量8 m3/h，最大揚程50 m，QB260 氣動攪拌桶容積260 L。

3.4 實施順序

1）構筑人工假頂，預留人員進入通道，首先對最低處兩個柔模袋進行充填。

2）按照從低到高的順序，依次對預埋的注漿管進行注漿充填。當對應返漿管開始返漿時，關閉注漿管和返漿管閥門，進行下一組管路注漿。

3）每充填2 h 左右，等待30 min，給充填材料硬化時間，防止假頂壓力過大發(fā)生變形。

4）最后對最上部兩個柔模袋進行充填，壓實充填體，與頂板緊密貼合。

4 實施情況及效果考察

1）2022 年4 月材料設備準備完畢后開始現(xiàn)場實施，構筑假頂耗時7 d，每天3 班充填，實際充填時間17 h，充填量100 m3，用時12 d 充填完畢。

2）充填過程中，對高冒區(qū)充填材料漿液進行取樣檢測，失去流動性時間4～6 min，1～1.5 h 完全固化。充填過程中凝固情況良好，未發(fā)生漏漿現(xiàn)象，從返漿管口處實測高冒區(qū)內(nèi)排出氣體最高溫度44℃，為大體積充填聚熱引起，無異常現(xiàn)象。

3）充填完畢后，隨機選擇10 處進行鉆探，包括最高點2 處，鉆孔深度4～8 m。通過鉆探經(jīng)驗和鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，高冒區(qū)內(nèi)充填材料與頂板緊密貼合，高冒區(qū)內(nèi)完全充滿。充填體取芯強度測試表明，強度在1.8～2.2 MPa，達到設計要求。

4）充填后，對高冒區(qū)進行5 個月連續(xù)觀測，下沉量為零，溫度正常，維護狀況良好。

5 結論

1）針對大體積高冒區(qū)存在的瓦斯積聚和頂板冒落隱患，采取完全充填方式，用“懸吊工字鋼+木板+風筒布”方式構筑人工假頂，對高冒區(qū)底部進行封閉。

2）針對高冒區(qū)工程特性，選用輕質(zhì)、高倍膨脹、絕對安全的無機發(fā)泡材料作為高冒區(qū)充填材料，水灰比2:1，失去流動性時間在6 min 左右，固化時間約1～2 h，膨脹倍數(shù)約5 倍，充填體密度0.4 g/cm3，3 d 強度約2 MPa，反應溫度不超過50 ℃。

3）效果考察表明，充填完畢后，高冒區(qū)內(nèi)充填材料與頂板緊密貼合，高冒區(qū)內(nèi)完全充滿，充填體強度達到設計要求，充填后5 個月頂板下沉量為零。