巷道过超高冒落区安全掘进技术研究

郭 伟

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

巷道在掘进过程中，容易发生冒顶事故，形成超高区。目前一般采用两种方式处理：一是冒落稳定后，清除顶部活矸，补强锚索，形成稳定空洞；二是冒落稳定后，采用无机或者有机发泡材料，支设模板，对顶部空间进行充填。这两种方式适合于冒落范围较小、快速自稳的情况，但对于冒落范围大、持续影响的冒落区并不适合，很可能造成二次事故。晋煤集团赵庄煤业3301运输顺槽在掘进期间，发生一起严重的冒顶事故，以此为工程背景，进行超高冒落区治理技术研究。

1 工程背景

赵庄煤业三盘区开采3#煤层，平均厚度5 m，近水平。3301 工作面为首采工作面，设计开采长度1500 m，采用综合机械化放顶煤采煤法，布置一条运输顺槽和一条回风顺槽，设计宽度为5 m，高度为2.5 m，架棚支护，棚间距1 m。

由于煤层厚度变化不均匀，两条顺槽均沿煤层底板掘进，上方约留有2.5 m 的顶煤。煤层上方为0.5～2 m 的泥岩伪顶，极不稳定；直接顶为10.2 m泥岩与砂质泥岩互层，节理裂隙发育，不稳定，易冒落；基本顶为7 m 细粒砂岩层、稳定。

3301 运输顺槽掘进至300 m 位置过正断层，发生第1 次冒顶事故。上方2.5 m 厚顶煤、2 m 厚泥岩伪顶冒落，冒落长度6 m，宽度5 m，上方直接顶未冒落。对冒落煤岩体以及顶部活矸处理后，对顶板进行锚杆索补强，顶部形成4.5 m 高空洞，如图1（a）所示。但是前方一直有水流出，冲刷顶板和煤帮，最终在2 周后，发生第2 次冒顶，上部直接顶冒落，冒落长度12 m，宽度6 m，冒落矸石将巷道填满，上部遗留7 m 左右空洞，如图1（b）所示。

2 冒落区注浆充填技术方案

2.1 处理方式

由于第1 次冒顶后，前方一直出水，出水量约5 m3/h，对煤帮和顶板冲刷腐蚀严重，导致围岩松散、完整性差，基本丧失承载能力。因此，发生第2 次冒落后，顶板持续下沉，长时间不能稳定，迎头位置架棚顶梁在2 d 内下沉800 mm。说明直接顶压力传递到了冒落区两侧未冒落区，如不立即处理，冒顶有延展可能，现场如果直接清除下部碎矸，危险极大。并且3301 运输顺槽为回采巷道，将来3301工作面回采产生动压影响，会造成二次破坏。因此，处理高冒区工程具备紧迫性、危险性、后期再次破坏特征，并且底部冒落碎矸区与顶部空洞区浆液扩散性质完全不同，处理方式也不一致，需要采用不同的材料和工艺。

图1 冒顶形态示意图

综合考虑，计划采取全部注浆充填法。通过注浆固结底部碎矸，通过充填填满顶部空洞，使冒落区重新形成一个完整实体，然后在固结体中掘进。要求注浆、充填材料具备速凝早强特性，及时承载顶板，并尽可能节约材料成本。

2.2 止浆墙建设

由于迎头处变形严重，在迎头退后1 m 位置建设止浆墙。止浆墙厚度1 m，两帮各掏槽500 mm，顶底板各掏槽300 mm，下部预留排水孔，内外边界采用砖墙堆砌，中部灌注注浆材料。止浆墙如图2 所示。

图2 止浆墙建设示意图

2.3 第一步：隔离区充填

止浆墙与冒落区之间有约1 m 长度的隔离区，约7 m3，无法直接向冒落区施工钻孔。第一步采用高水充填材料进行充填，水灰比2:1，1 d 后强度达到2 MPa，即可开展下一步作业。

2.4 第二步：底部冒落碎矸区注浆

底部注浆先于顶部充填的原因是，底部为将来巷道掘进层位，必须采用高强度注浆材料进行加固，而顶部可以采用低强度的高水充填材料充填。如果先充填上部，大量低强度浆液会流入下部冒落碎矸区，影响底部强度。且底部冒落区目前十分破碎，难以打钻进入顶部空间。

钻孔设计：设计两排钻孔，上排钻孔2 个，间距2.6 m，距离巷帮1.3 m，开孔高度距离顶板0.5 m，仰角9°，孔深14 m；下排钻孔2 个，间距2.6 m，距离巷帮1.3 m，开孔高度距离底板1.5 m，仰角0°，孔深14 m。

注浆材料：与止浆墙中部灌注材料一致，是一种无机双液注浆材料，分为A 型和B 型，使用水灰比0.8:1。混合后1～5 min失去流动性，8～15 min终凝，2 h 强度能够达到10 MPa，1 d 强度18 MPa，能够实现止浆墙快速建设和破碎区快速加固。注浆材料单价约2500 元/t，单立方空间材料消耗960 kg。

注浆压力：因浆液会部分窜入顶部空洞，注浆压力暂不要求太高，达到2 MPa 即可。

2.5 第三步：顶部空洞充填

底部碎矸注浆结束后，进行顶部空洞充填。

钻孔设计：将顶部空洞分为上、下两段充填，设计上下两个钻孔，顶1#和顶2#，在止浆墙上开孔。顶1#孔开孔高度距离顶板0.5 m，孔深17 m，仰角63°；顶2#孔开孔高度距离底板1.5 m，孔深13 m，仰角50°。孔深代表下管长度。

充填材料：与隔离区灌注材料一致，为高水充填材料，分为A 型和B 型，使用水灰比2:1～3:1。混合后10～20 min 失去流动性，保证充足流动时间，充分充填，60～120 min 终凝，2 h 强度达到0.8 MPa，1 d 强度2 MPa，7 d 强度达到5 MPa。充填材料单价约1500 元/t，单立方空间材料消耗400 kg。

实施顺序及压力：先充填顶2#孔，后充填顶1#孔。顶1#孔充填最后阶段加入发泡剂，使其主动膨胀接顶。以灌满为目的，压力不需太高，顶1#孔最终充填压力2～3 MPa。

整体钻孔布置如图3 所示。

图3 注浆、充填钻孔布置示意图

3 掘进二次注浆及支护

3.1 掘进二次浅孔注浆

前期对底部冒落碎矸进行了第一次深孔注浆，但为了防止大量注浆材料进入顶部空洞造成浪费，注浆压力不高，注浆扩散效果不佳。

掘进时进行浅孔二次注浆，对小裂隙进行填充。为保证扩散效果，采用循环注浆掘进方式：注浆钻孔深度6 m，每注1 个循环，向前掘进4 m。预计3个循环出冒落区。注浆终止压力不小于8 MPa。

浅孔钻孔布置：布置上、中、下三排，每排3个，矩形布置。上排钻孔开孔高度距离顶板0.2 m，仰角10°；中排钻孔开孔高度距离顶板1 m，仰角0°；下排钻孔开孔高度距离顶板1.8 m，仰角0°。孔深均为6 m。浅孔钻孔布置平面图如图4 所示。

图4 掘进二次浅孔注浆钻孔布置平面图

3.2 支护方案

（1）架棚支护。钢棚间距缩小为0.7 m，棚间拉杆直径20 mm，棚腿与巷帮之间空隙用板梁背紧，单体柱加强支护，一梁三柱。

（2）锚索加强支护。选用高强度、低松弛、大延伸率的钢绞线锚索，长度7.3 m，垂直于顶板打设。排距1.4 m，每排3 根，间距1.5 m，采用钢筋托梁连接。托盘规格为300×300×20 mm 钢托盘，预紧力不小于150 kN。

锚索支护设计图如图5 所示。

图5 架棚、锚索支护示意图

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

掘进前的注浆累计实施16 d，三班施工，每班平均消耗材料约6 t。施工深孔8 个，其中4 个为底部冒落碎矸区钻孔，2 个为顶部空洞充填钻孔，2个为检验孔。使用双液注浆材料110 t、高水充填材料160 t，材料总成本51.5 万元。

4.2 效果考察

（1）掘进期间。注浆、充填结束7 d 后，开始掘进，发现冒落碎矸区浆液与碎矸粘接良好，形成完整整体，固结体坚硬，不发生片帮，巷道成型良好，用时8 d 安全通过冒落区。

（2）掘进后。掘进后在冒落区域布置3 组表面位移观测站、顶板离层观测站、锚索受力观测站。经过3 个月观测发现，两帮移近量不足50 mm，顶底板移近量不足30 mm，顶板离层小于10 mm，锚索受力小于200 kN，且90%的变化发生在掘进后15 d 内，之后基本不再变化。

5 结论

（1）对于持续变形的大型冒顶区治理，传统的锚索补强支护、顶部填充并不适用，应采取全部注浆、充填法，并根据冒落区形态分开治理。

（2）在止浆墙建设和隔离区充填的基础上，制定了“底部冒落碎矸区注浆+顶部空洞充填”的技术方案，采用两种材料进行处理，均具备速凝早强特性，满足了快速施工要求。

（3）制定了掘进期间二次浅孔注浆和锚索补强的支护方案，用时8 d 安全通过冒落区。掘进后矿压监测表明，巷道变形量极小，锚索受力稳定，巷道在掘进15 d 后基本稳定。