掘进巷道冒漏区联合支护技术应用探讨

顾嵇毓，赵 林

（中检集团公信安全科技有限公司，山东 枣庄 277500）

巷道掘进过程中过地质构造、采空区、老窑区等集中应力区时，巷道围岩出现应力显现现象，如顶板破碎、巷帮片帮、底鼓等[1-3]。 当锚杆（索）支护无法对应力区围岩起到有效控制作用时，很容易出现顶板冒漏、垮落等事故。 顶板出现冒漏时，围岩之间静摩擦力降低并出现失稳现象[4]，围岩内裂隙增多，同时围岩应力在冒漏区内进行释放，加剧了围岩破碎程度，使冒漏区范围不断扩大[5-6]。 因此，掘进巷道出现冒漏后若不采取合理有效的控制技术，很容易发生重大顶板事故。 本文以国源矿业开发有限公司61605 顺槽巷道为工程实例，对巷道掘进期间顶板冒漏原因进行剖析，拟采用“人工假顶+ 注浆填充+ 架设工字钢梁” 联合支护技术的优化解决方案。

1 工程概况

国源矿业开发有限公司61605 运输顺槽位于61 盘区北翼东侧，距已回采61601 面约300 m，南接西翼开拓大巷，北至井田边界。 相邻的东侧61603 工作面和西侧61607 工作面均未采动。

61605 运输顺槽设计长度为1 156 m，掘进煤层为6#煤层，煤种为长焰煤，黑色，平均厚度为21.37 m，煤层结构复杂。 工作面区域煤层夹矸4～12 层，单层夹矸厚度0.1～0.6 m，夹矸平均总厚度2.78 m。 夹矸岩性为炭质泥岩、泥岩及高岭土；煤层平均倾角为1.5°。 煤层普氏硬度系数f=0～1.0，夹矸普氏硬度系数f=2.0～3.0，如表1所示。

表1 61605 运输顺槽掘进煤层顶底板岩性

2 巷道冒漏原因分析

2.1 巷道掘进现状

61605 运输顺槽采用EBZ260 型掘进机沿6#煤层顶板掘进，巷道掘进高度为3.7 m，掘进宽度为4.8 m。 根据6#煤层走向巷道前200 m 范围内近水平掘进，在200～520 m 段以5°下山掘进，520 m 后继续近水平掘进。 截至2021年3月12日巷道已掘进270 m。

61605 运输顺槽掘进至258 m 处时揭露一条小落差F5断层，落差为1.4 m，倾角为48°，巷道掘进至256 m 处时顶板出现破碎垮落，导致巷道256～265 m 段顶板出现超高，超高量达0.8 m。2020年3月12日早班巷道掘进至269 m 处时巷道中部出现破碎冒漏，冒漏高度为1.1 m；巷道继续延伸掘进，巷道顶板出现大面积冒漏，掘进至272 m 处时，顶板冒漏高度达2.5 m。 冒漏区成半圆球形，沿巷道走向方向冒漏宽度为3.4 m，沿巷道两帮方向冒漏宽度为3.8 m，冒漏区顶板以硅化煤以及破碎泥岩为主，无稳定层状结构。

2.2 冒漏原因分析

（1）顶板稳定性差。 61605 运输顺槽掘进的6#煤层为复合结构，通过对顶板施工深度为15 m 窥视孔观察发现，煤层顶板往上4.5 m 范围内含2层夹矸，4.5～11 m 范围内含4 层夹矸，11～15 m范围内含2 层夹矸；夹矸主要以炭质泥岩、砂岩为主，总厚度为1.7 m。 煤层顶板岩层结构相对复杂，夹矸层破坏了6#煤层顶板的稳定性，巷道在掘进过程中受掘进扰动影响煤层与夹矸之间出现蠕动破坏作用，主要表现在离层、断裂、破碎等。

（2）构造应力影响。 61605 运输顺槽揭露的F5断层与巷道夹角为54°，断层从运输顺槽258 m处进入向左侧揭露，断层对巷道施工影响长度为22 m。断层侵入后破坏了巷道围岩连续稳定性，削弱了围岩抗剪强度[7]，在构造应力以及上覆岩层重力作用下，断层两侧岩体产生交错裂隙扩张破坏带，导致断层两侧煤岩体出现裂隙、破碎现象，降低围岩稳定性[8]。

（3）围岩二次扰动影响。 61605 运输顺槽掘进至256～265 m 段顶板出现第一次垮落，导致巷道掘进超高。为了便于顶板管理，巷道从265 m 处开始留台阶下山掘进，留台阶时顶板预留难度大，台阶处顶板出现失稳现象，导致巷道支护后无法形成稳定的组合梁结构，造成巷道顶板破碎、冒漏。

3 联合支护技术

3.1 人工假顶

（1）超高区人工假顶

为了提高超高区顶板稳定性，防止超高区顶板出现二次垮落，决定对巷道256～265 m 段超高区顶板施工人工假顶。

①首先在超高区沿巷道走向施工三排起吊W型钢带，每排布置三根长度为4.0 m 钢带，相邻两根钢带叠加布置；每根钢带用三根长度为4.5 m，直径为17.8 mm 锚索起吊，如图1 所示，每排走向钢带布置排距为2.0 m。

图1 61605 运输顺槽人工假顶施工

②超高区走向钢带起吊完后横向平铺8 排钢带，钢带长度为4.5 m，横向钢带与走向钢带之间采用14#铁丝捆绑。

③超高区钢带起吊后，依次在钢带上平铺钢筋网、风筒布以及架设“井”字形木垛。 钢筋网采用8#铁丝编制而成。 钢筋网长度为2.0 m，宽度为1.0 m。 木垛采用长度为1.5 m，宽度为0.2 m 道木铺设而成，共计铺设两排，每排布置4 架木垛，木垛布置排距为3.0 m，布置间距为2.0 m。

④待超高区人工假顶施工完后，在超高区下方施工三架锚索吊棚，吊棚与巷道两帮垂直布置，吊棚布置排距为3.5 m，吊棚施工完后采用张拉机具及时进行预紧。

（2）高冒区人工假顶

由于高冒区高度较高，高冒区围岩极不稳定，为了进一步增加高冒区围岩整体稳定性，对高冒区同样施工人工假顶进行维护。

①首先在高冒区下方施工三架锚索吊棚，其中第一架锚索吊棚在距冒漏区边缘0.5 m 处施工，相邻两架锚索吊棚布置排距为1.5 m，每架锚索吊棚采用三根长度为4.5 m，直径为17.8 mm锚索起吊；所有锚索吊棚施工完后，保证吊棚在同一水平面上。

②锚索吊棚施工完后在吊棚上方铺设钢筋网风筒布，并铺设一排长度为4.0 m 工字钢梁，工字钢梁沿巷道走向布置，钢梁与吊棚之间采用卡缆固定，密集工字钢梁布置间距为0.5 m。

③工字钢梁铺设完后在钢梁上覆铺设“井”字形木垛，木垛铺设到位后必须与冒漏区顶板接触严实。 木垛铺设完后采用张拉机具对锚索吊棚进行预紧。

3.2 注浆填充

为了提高人工假顶质量，防止假顶区出现有害气体积聚现象，拟对高冒区及超高区人工假顶进行注浆封堵。

（1）61605 运输顺槽冒漏区决定采用由河南理工大学研发的轻质无机充填材料进行填充封堵[9]，轻质充填材料主要由A、B 两种组分组成，混合水灰比为4:1。 该轻质充填材料反应温度在35℃以下，充填2 min 后失去流动性，填充2 h 后完全膨胀凝固，凝固体强度达0.8 MPa，3 d 后凝固体强度达2.4 MPa。

（2）为了达到有效的充填效果，轻质无机充填材料内添加1.2%发泡剂以及0.8%的剥离纤维，填充后膨胀率达47%。 膨胀后的凝固体能够快速渗透至假顶间隙内并与顶板紧密贴合。 由于无机材料中混合有玻璃纤维，凝固体具有很强的韧性，提高了抗压强度[10]。

（3）采用ZBYSB40/22-7.5 kW 液压注浆泵进行注浆施工，注浆前将A、B 两种材料放入搅拌桶内均匀搅拌，将注浆软管塞进假顶间隙内，在注浆过程中出现返浆现象时立即停止注浆。

3.3 密集工字钢棚

为了防止因假顶区顶板蠕动变形导致假顶垮落事故的发生，在假顶区架设密集工字钢棚，进行联合支护。

（1）密集工字钢棚架设在巷道255～272 m段，钢棚架设间距为1.0 m，共计架设17 架工字钢棚。 工字钢棚主要由U29 型棚腿、11#工字钢顶梁、卡缆、抱箍、连接圆钢、底座、固定锚杆等部分组成。

（2）每根棚腿由两节U29 型钢组成，采用对插式连接，对接长度为0.2 m，对接后采用一组抱箍进行固定连接。 棚腿底端焊制一个长度及宽度为0.2 m 固定装置，固定装置与底座采用长度为120 mm，直径为48 mm 的螺母进行固定。 棚腿顶端焊制一个长度及宽度为0.3 m 钢板，钢板上焊制两个直径为30 mm 圆孔，采用卡缆与顶梁进行固定。

（3）顶梁长度为4.5 m，顶梁两端各焊制一个长度及宽度为0.3 钢板与棚腿对接。 底座采用一块长度及宽度各为0.5 m 的钢板焊制而成，底座上焊制三个直径为30 mm 圆孔，底座与底板采用地锚杆进行固定。

（4）工字钢棚安装顺序：底座→棚腿（施工固定锚杆）→顶梁→连接杆。 钢棚安装时必须在巷道两帮安装中心线，钢棚安装后必须保证顶梁与顶板接触预紧。 若局部区域顶板不平、破碎等无法实现顶梁与顶板接触时，必须对间隙处采用水泥背板填充。

4 应用效果

截止2021年8月，61605 运输顺槽已掘进完毕。 通过对冒漏区假顶处安装两台GUD500 型顶板离层仪进行15 d 现场观察发现，人工假顶施工完后在5 d 范围内，由于围岩处于卸压期，顶板出现蠕动变形，并伴随着顶板下沉现象，实测下沉量为0.12 m；在5～12 d 范围内顶板蠕动变形现象逐渐减弱，顶板下沉量逐渐减小；在12 d 后顶板趋于稳定，实测总下沉量为0.17 m，顶板未出现垮落破碎现象。

通过对61605 运输顺槽冒漏区以及超高区施工人工假顶并进行注浆封堵后，有效隔绝了空气对顶板硅化煤的氧化作用，防止了煤层自燃现象，避免高冒区因风流不畅导致出现瓦斯积聚现象；通过对假顶下方及附近进行CO、CH4监测，瓦斯浓度未超过0.3%，一氧化碳浓度在0.000 9%以下，未出现有害气体超限现象。

5 结论

1）与单锚杆（索）支护相比，人工假顶可起到对超高区、冒落区等特殊区域进行大面积支护、填充、隔绝作用，支护难度小、成本费用低。 但假顶施工后很容易出现假顶区窝风现象，导致假顶内有害气体超限，所以必须对假顶区进行注浆封堵。

2）与罗克休膨胀剂相比，轻质无机充填材料具有凝固速度快、填充效果好、反应发热量小、成本费用低等优点，假顶区填充膨胀材料后能够快速与顶板接触，起到冒漏区封堵的作用，提高了人工假顶韧性及强度。

3）工字钢棚属于被动支护，在假顶区下方架设密集工字钢棚后可被动对假顶施加支撑作用力，防止假顶因顶板蠕动变形出现假顶下沉、垮落。 通过施工人工假顶后削弱了巷道顶板垂直应力对巷道两帮煤柱造成的剪切破坏作用，达到控制巷道两帮收敛、破碎、垮冒的目的。