厚伪顶区沿底巷道安全掘进技术研究

吴佐伟

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

1 工程背景

赵庄煤业三盘区3307 工作面开采3#煤层，平均厚度5.5 m，设计开采长度904 m，倾向宽度210 m。设计两条顺槽，33071 巷和33072 巷，一条进风一条回风，目前正在掘进回采巷道。

33072 巷在煤层内掘进，设计宽度为5 m，高度为4.5 m，原设计沿煤层顶板掘进。3#煤层上方有一层0.2～2 m 厚的泥岩伪顶，薄层状，极破碎，随掘随冒，正常区域伪顶平均厚度0.4 m，直接顶为6 m 厚细粒砂岩，为稳定岩层。

33072 巷顶板采用全锚索支护，锚索长度5.4 m，排距1.2 m，每排5 根，间距1.15 m。进入掘进进度240 m 位置时，泥岩伪顶区域变厚，钻探得到前方60 m 长度泥岩伪顶厚度约1.5 m，为异常区域。如果继续沿煤层顶板掘进，必然导致巷道伪顶冒落形成超高区，影响后期回采安全。因此，前方60 m范围改为沿煤层底板掘进，留1 m 厚顶煤，用以维护泥岩伪顶，如图1。但3#煤层裂隙发育，强度仅比伪顶略高，在掘进超前压力作用下容易发生破坏变形，巷道掘进面临极大的冒顶风险，必须采取加固措施，保障安全掘进。

图1 巷道掘进方式示意图

2 工程特性分析

33072 巷治理加固分为两个阶段：（1）安全掘进阶段，对前方煤体和顶板进行预注浆加固，防止掘进期间发生冒顶；（2）掘进后顶板二次注浆和支护，对顶板形成的裂隙进行填充，并将注浆后完整岩体进行强力支护，维护巷道顶板长期稳定。

掘进头前方一定距离为动压影响区，影响深度约5 m，此范围内裂隙快速发育，越靠近表面裂隙发育程度越高。掘进头开挖后，由于支护需要滞后一定距离，顶板暴露处于无支护状态，受拉作用明显，挠曲下沉，进一步发展为离层冒落。因此，掘进头注浆加固深度不宜过大，且必须提高顶板抗拉能力，要求注浆材料具备较高的粘结强度。建议采用马丽散化学浆，将裂隙煤岩紧密粘结在一起，并利用钢管等机械方式提高对顶板的承托作用。

掘进后顶板采用锚索支护，在掘进后到支护前时间差内，松软顶煤和伪顶再次发生离层，内部产生大量裂隙。如果不进行注浆，井下潮湿环境下，风和水沿裂隙进入顶板内部，持续风化作用导致破碎程度加剧，锚索锚固力衰减，最终造成支护失效，顶板严重变形。掘进后顶板可以采用注浆锚索，注浆作用以充填为主，注浆量大，建议采用水泥类无机材料，节约成本。

3 “掘进前预注+滞后注浆锚索”实施方案

3.1 掘进前预注

3.1.1 钻孔布置

加固对象为掘进头前方一定范围内的顶煤和伪顶。钻孔设计一排，均垂直于巷道倾向，每排3个钻孔，开孔高度距离顶板1 m，孔深8 m，终孔位置进入细粒砂岩层垂深1 m，孔径42 mm，仰角35°。采取循环注浆方式，每3 m 一个循环，每注1 个循环，掘进3 m，再注1 个循环，再掘进3 m，交替进行。钻孔布置平面图如图2（a），剖面图如图2（b）。

图2 掘进前预注钻孔布置示意图

3.1.2 注浆材料

采用马丽散化学浆注浆材料，为双组分材料，A 组分主要成分为异氰酸酯，B 组分主要成分为多元醇，使用体积比1:1，主要性能如下：

（1）反应速度快。混合后维持液态45 s 左右，充分扩散，之后逐渐稠化，85 s 左右反应完毕完全硬化，能防止漏浆。

（2）粘结能力强。进入煤岩体微裂隙后紧密粘合，实测与煤岩体粘结强度大于2 MPa，无机注浆材料难以实现。

（3）韧性高。固结体内聚力1.7 MPa，内摩擦角38.6°，抗拉强度3.4 MPa，抗压强度6.5 MPa，受拉弯曲不折断，无机材料难以实现。

3.1.3 注浆管及注浆压力

注浆管：本次采用直径26 mm 的DN20 无缝钢管，长度2 m/根，采用4 根，丝扣连接，最里端1根孔身开花孔，有利于浆液扩散，孔口棉纱封孔，长度200～500 mm。

注浆参数：注浆终止压力4～6 MPa，由于顶煤和伪顶强度低，注浆压力过大会造成顶板挤压松动，注浆过程中时刻注意顶板状况，出现异常时及时停泵换孔。

3.2 滞后注浆锚索

3.2.1 注浆锚索布置方式

将原来部分普通锚索替换为注浆锚索，长度仍为5.4 m，原普通锚索每排5 根，间距为1.15 m，排距为1.2 m，注浆锚索“五花”布置，第一排替代第1 根、第3 根、第5 根，第二排替代第2 根、第4 根，交替布置，所有锚索均垂直于顶板。注浆锚索布置方式如图3。

3.2.2 注浆锚索实施方式

（1）打孔。设计锚索外露200 mm，则钻孔深度5200 mm，垂直孔施工，采用锚索钻机，32 mm钻头，成孔后孔口1 m 顶煤段采用42 mm 钻头扩孔。

（2）锚索安装锚固。采用1 支快速树脂药卷和1 支中速树脂药卷，锚索送入孔底，搅拌锚固。

（3）封孔与张拉。孔口1 m 扩孔段采用棉纱封孔，可采用1 根直径比锚索略大的空心钢管，套在锚索上往里推送棉纱，捣实，然后上锁具、托盘进行张拉。注浆锚索安装结构如图4。

图3 注浆锚索布置方式示意图（单位：mm）

图4 注浆锚索安装结构示意图

（4）注浆。采用耐固注浆材料（双液），水灰比1:1，采用2ZBQ50/19 气动注浆泵，通过特制注浆头连接注浆锚索进行注浆。注浆终止压力6～8 MPa，漏浆严重时可适当减低注浆终止压力至4～6 MPa。

3.2.3 耐固注浆材料（双液）

为防止注浆过程中漏浆无法封堵造成注浆失败，本次采用的耐固注浆材料（双液）为一种速凝早强型注浆加固材料[1-2]。

该材料为双组分材料，固态粉末，A 组分主要成分为硫铝水泥，B 组分主要成分为二水石膏，使用水灰比1:1，A 和B 体积比1:1，主要性能如下：

（1）反应速度快。混合后60 s 良好流动性，能够在裂隙中充分扩散，90～120 s 失去流动性，发生漏浆后能够自行快速凝固封堵，克服了普通水泥凝固速度慢、漏浆难以处理的缺点，提高注浆量。

（2）强度增长迅速。10 min 左右浆液完全固化，2 h 强度10 MPa 以上，1 d 强度16～18 MPa。

（3）价格相对低廉。马丽散约1.5 万元/t，耐固注浆材料（双液）约3000 元/t，配合1:1 水灰比，浆液成本约1500 元/t，约为化学浆的1/10。

3.2.4 注浆压力

注浆参数：注浆终止压力6～8 MPa。注浆过程中时刻注意顶板状况，出现异常时及时停泵换孔。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

实施长度60 m，掘进前预注期间共施工21 个循环，每个循环3 个钻孔，孔深8 m，累计进尺504 m，平均单孔注浆量1.2 t，换算每米巷道注浆量1.2 t。滞后注浆锚索实施期间，共施工125 根注浆锚索，平均单根锚索注浆量0.8 t，换算每米巷道注浆量1.6 t。

4.2 效果考察

预注后掘进，顶煤和顶板形成一个完整整体，可见大量浆液痕迹，注浆钢管稳定悬吊在顶板上，未发生冒顶现象，安全通过。巷道掘进5 个月后，在顶板施工钻孔进行窥视，可见大量浆液，浅部分布较多，深部分布较少，未发现新的离层，如图5，表明巷道掘进后顶板未发生明显变形，已经进入稳定状态。

图5 顶板钻孔窥视图

5 结论

（1）依据顶板为软弱顶煤和伪顶的工程特性，制定了“掘进前预注+滞后注浆锚索”实施方案。掘进前预注采取浅孔循环注浆方式，高粘结性的马丽散化学注浆材料，滞后注浆锚索采用速凝早强、成本更低的耐固注浆材料（双液）。

（2）效果考察表明，预注后掘进，顶煤和顶板形成一个完整整体，未发生冒顶现象，安全通过。掘进5 个月后进行顶板钻孔窥视，未发现新的离层，表明巷道掘进后进入稳定状态。