大体积高冒区假顶封闭与无机充填技术研究

马雁飞

（晋能控股煤业集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

赵庄煤业复合顶板强度低，巷道掘进期间顶板不稳定，遇地质构造时情况更为严重，容易形成大范围高冒区。高冒区存在瓦斯积聚、顶板再次冒落隐患[1-2]，威胁安全生产。以赵庄煤业53041 巷大体积高冒区为研究对象，研究无机材料充填技术。

1 工程背景

赵庄煤业53041 巷为5304 工作面胶带巷、进风巷，设计宽度6 m，高度3.8 m。在停采线以外过断层区域时，因煤层错茬、卧底掘进、顶板破碎等原因，平均坡度12°，掘进期间发生大范围冒顶，形成长度约39 m 的高冒区。冒落稳定后，对顶板采取了锚索支护和混凝土喷浆，目前顶板已经稳定不再冒落。每隔3 m 对高冒区高度进行实测，剖面如图1。

图1 高冒区剖面示意图（m）

高冒区冒落高度0～6.6 m 不等，宽度6 m，初步测算空间1000 m3。高冒区在5304 工作面停采线以外，基本不受采动影响，但存在瓦斯积聚、顶板超高等风险，须进行处理。

以往高冒区处理多采用“井”字形木垛勾顶方式，降低巷道高度，对顶板有一定的支护作用，但木垛之间存在大量空隙，无法解决瓦斯积聚问题，且木垛勾顶工程量大、劳动强度大、作业危险。针对53041 巷大体积高冒区，计划采用一种轻质、绝对安全的无机充填材料，采用机械泵送方式进行全部填充，彻底消除安全隐患。

2 人工假顶封闭方案

向高冒区内注入浆液状的充填材料填充，必须做好底部封闭，防止漏浆。采用人工假顶对底部进行封闭。第一步通过顶部锚索安装钢丝绳悬吊工字钢形成初步模板，铺设木板风筒布进行封闭；第二步对高冒区两端进行封堵处理；第三步埋设注浆充填管路，为浆液充填做准备。高冒区工字钢示意图如图2。

图2 高冒区工字钢示意图

2.1 工字钢悬吊方式及强度验算

1）悬吊方式

在高冒区顶板施工锚索，锚索施工高度应超过巷道正常高度，在高冒区平整、稳定区域，保证锚固力。将Ф24 mm 钢丝绳一端压在锚索托盘下固定，沿巷道宽度方向每排施工3 根钢丝绳，走向方向间距1 m，钢丝绳下方悬吊12#工字钢，工字钢固定高度超过巷道正常高度200～300 mm，给后续整体喷浆留出空间，保证巷道可用高度。

2）强度验算

充填体、工字钢、木板、风筒布等重量都需要钢丝绳进行承载，必须对承载能力进行验算：

高冒区长度39 m，现场吊挂工字钢间距1 m/根，每根工字钢由3 根钢丝绳吊挂，现场共计实施39 根工字钢，117 根钢丝绳。

选用的Ф24 mm 钢丝绳悬吊能力达到150 kg/mm2以上，单根钢丝绳最大承载载荷为67.8 t，117根钢丝绳理论最大承载载荷7 932.6 t。现场考虑钢丝绳受力不均匀及其他因素，按照0.25 倍的安全系数进行计算，则117 根钢丝绳承载能力为1 983.15 t，高冒区总长39 m，则每米承载能力为50.85 t。

金-多金属硫化物阶段：形成自然金-黄铁矿-石英、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉银矿等矿物组合，为金的主要成矿阶段。自然银及银的硫化物在这个阶段初步富集。

需承受载荷：① 充填材料质量，预计消耗高冒区充填材料200 t，水灰比2:1，用水400 t，则总质量600 t；② 其他质量，包括钢丝绳自重、工字钢、木板、风筒布等，总质量按5 t 计算；③ 总质量为605 t，每米载荷为15.5 t。

按照两种方式对承载能力进行验算：

① 总质量。需承载质量605 t，总承载能力1 983.15 t，完全可以满足要求。

② 按单位最大载荷。高冒区越高处承载载荷越大，最高处按照2 倍平均载荷计算，为31 t，小于每米平均承载能力50.85 t，可以满足要求。

两种验算方式均表明设计承载能力绝对满足安全使用要求。

2.2 高冒区底部封闭

1）铺设木板。在初步构建的工字钢模板上依次铺上木板，木板要尽可能铺严密，保证充填时受力均匀，采用铁丝捆扎固定，防止移动。

2）铺设风筒布。木板上层铺设2 层风筒布，作为主要的防漏浆措施之一。风筒布要铺设严实，尤其在高冒区边缘要严格贴帮，贴帮高度不小于0.5 m，采用铁丝等将风筒布固定在巷帮上。

2.3 高冒区两端封堵

两端位置形状不规则，容易发生漏浆，采用柔模袋进行两端封堵。

柔模袋制作成长方体，长5 m、宽4 m、高3 m，共制作4 个，两端头各两个。放置方式：长5 m 沿着巷道走向方向，宽4 m 沿着巷道宽度方向，两个并排放置，直接放置于假顶上，不需要吊挂。每个柔模袋顶部有两个袖口，袖口朝开放的一侧，如图3。使用时一个袖口插入风管吹气，使柔模袋胀起，另一个袖口插入注浆管，注入充填材料。

图3 柔模袋安装方式俯视图（m）

3 高冒区无机充填方案

3.1 高冒区中部插管

做好假顶和两端封堵后，对高冒区中部插管充填。插管工作可以在构建人工假顶时进行提前预埋，但应注意保护好注浆口，防止喷浆时将注浆管口堵塞。

注浆管采用6 分铁管，根据浆液流动特性，每隔5 m 插一组注浆管，注浆管长度要到达高冒区顶部，如图4。记录每一组管的插管长度。充填时，先从高冒区整体较低处充，后往高处充，防止串浆。

图4 高冒区插管示意图

每组注浆管采用两趟，长度和布置方式一致，一备一用，备用的注浆管同时起到排气、返浆作用，检验高冒区是否充满。

3.2 高冒区充填材料

53041 巷高冒区位于停采线以外，基本不受采动影响，充填的主要目的是彻底排出瓦斯，防止顶板继续冒落。因此，充填材料无需过高强度，应以充填体轻质、固化快、膨胀倍数高、材料用量少、完全阻燃为主要性能要求。

本次采用的高冒区充填材料为一种无机发泡材料，单组分，纯无机粉末，完全阻燃抗静电，使用时加水搅拌，水灰比2:1，失去流动性时间在6 min左右，固化时间约1～2 h，膨胀倍数约5 倍，充填体密度0.4 g/cm3，3 d 强度约2 MPa，成本不及罗克休等化学材料的1/5，反应温度不超过50 ℃，符合高冒区充填要求。

3.3 充填设备

充填泵采用两台QBY-40 气动隔膜泵，一备一用。搅拌采用两个气动搅拌桶QB260，2 个盛浆桶，可以采用铁桶加工，搅拌桶搅拌好的浆液放入盛浆桶，2 台搅拌桶交替制浆以实现连续供浆。

QBY-40 气动隔膜泵，最大流量8 m3/h，最大扬程50 m，QB260 气动搅拌桶容积260 L。

3.4 实施顺序

1）构筑人工假顶，预留人员进入通道，首先对最低处两个柔模袋进行充填。

2）按照从低到高的顺序，依次对预埋的注浆管进行注浆充填。当对应返浆管开始返浆时，关闭注浆管和返浆管阀门，进行下一组管路注浆。

3）每充填2 h 左右，等待30 min，给充填材料硬化时间，防止假顶压力过大发生变形。

4）最后对最上部两个柔模袋进行充填，压实充填体，与顶板紧密贴合。

4 实施情况及效果考察

1）2022 年4 月材料设备准备完毕后开始现场实施，构筑假顶耗时7 d，每天3 班充填，实际充填时间17 h，充填量100 m3，用时12 d 充填完毕。

2）充填过程中，对高冒区充填材料浆液进行取样检测，失去流动性时间4～6 min，1～1.5 h 完全固化。充填过程中凝固情况良好，未发生漏浆现象，从返浆管口处实测高冒区内排出气体最高温度44℃，为大体积充填聚热引起，无异常现象。

3）充填完毕后，随机选择10 处进行钻探，包括最高点2 处，钻孔深度4～8 m。通过钻探经验和钻孔窥视发现，高冒区内充填材料与顶板紧密贴合，高冒区内完全充满。充填体取芯强度测试表明，强度在1.8～2.2 MPa，达到设计要求。

4）充填后，对高冒区进行5 个月连续观测，下沉量为零，温度正常，维护状况良好。

5 结论

1）针对大体积高冒区存在的瓦斯积聚和顶板冒落隐患，采取完全充填方式，用“悬吊工字钢+木板+风筒布”方式构筑人工假顶，对高冒区底部进行封闭。

2）针对高冒区工程特性，选用轻质、高倍膨胀、绝对安全的无机发泡材料作为高冒区充填材料，水灰比2:1，失去流动性时间在6 min 左右，固化时间约1～2 h，膨胀倍数约5 倍，充填体密度0.4 g/cm3，3 d 强度约2 MPa，反应温度不超过50 ℃。

3）效果考察表明，充填完毕后，高冒区内充填材料与顶板紧密贴合，高冒区内完全充满，充填体强度达到设计要求，充填后5 个月顶板下沉量为零。