任宝勤

（山西晋煤太钢能源有限责任公司，山西 吕梁 033000）

由于顶板局部结构变化等原因，巷道掘进过程中或掘进后，顶板冒落形成冒顶区。冒顶区悬露面积大、存在一定高度时，存在瓦斯积聚和再次冒顶风险，必须及时处理。常规的处理方法包括木垛人工勾顶或高分子罗克休泡沫充填，存在一定的安全隐患[1-3]。本文以山西晋煤太钢能源有限责任公司中部集中辅助运输大巷冒顶区为工程背景，研究冒顶区封闭和无机材料充填治理技术。

1 工程背景

山西晋煤太钢能源有限责任公司中部集中辅助运输大巷目前正在掘进当中，绝大部分在4+5 号煤层中掘进，采用矩形断面，掘进宽度5.9 m，掘进高度4.65 m，掘进断面积27.44 m2。

4+5 号煤层平均厚度为4.5 m，结构较简单，夹矸多为泥岩。直接顶为砂质泥岩，厚度为5.44 m，深灰色，水平层理，节理发育，局部岩芯破碎，底部含黄铁矿。

巷道沿顶掘进，由于直接顶节理发育、强度较低，在掘进过程中局部区域出现了冒顶，冒顶区大多为不规则拱形，中部高，两侧低，顶部经过了锚杆索支护，有大量锚索头外露。主要存在4处冒顶区，具体统计见表1。

表1 中部集中辅助运输大巷冒顶区统计表

传统的冒顶区处理方式有两种：（1）木垛人工勾顶；（2）注射高分子化学材料，如罗克休等。两种方法都存在明显的弊端，木垛人工勾顶效率低，作业危险性大，对顶板支护强度小，难以解决瓦斯积聚问题；罗克休泡沫充填效率虽高，但是充填物反应过程中温度较高，曾发生多起有机材料充填燃烧事故，安全隐患突出，目前已经被限制使用。

本次计划采用一种安全的无机充填材料，配合合理的泵送充填工艺，保证冒顶区充满填实，同时材料绝对阻燃，反应温度较低。

2 冒顶区底部封闭方案

冒顶区为底部开放式结构，而充填材料具备一定的流动性，充填前必须做好底部封闭。有两种方式：

（1）方式一：下层支撑模板+顶部柔模袋，如图1。顶部柔模袋的目的是柔模袋自身具备密闭性，可以有效防止漏浆，下层支撑模板保证充填体有着力点，底部平整。优点是对模板密闭性要求不高，具备支撑作用即可，柔模袋本身密闭性解决了漏浆问题；缺点是增加了柔模袋采购成本，且柔模袋并不一定能保证严格贴帮、充满填实，尤其是顶部不平整区域、锚索头外露区域有缝隙。

图1 方式一示意图

（2）方式二：下层密闭模板+顶部插管灌注，如图2。冒顶区下方模板需要严格多层密闭，然后通过注浆管伸入冒顶区顶部直接灌注充填。方案优点是节约了柔模袋费用，材料能够完全充满填实，材料能够渗入冒顶区周边裂隙；缺点是对模板密闭性要求非常高，一旦密闭不严，会产生严重的漏浆问题。

图2 方式二示意图

分析方式一和方式二，认为方式二虽然操作较为复杂，但充填效果相对更好。

确定采用方式二封闭冒顶区，具体实施工艺如下：

（1）掏梁窝固定钢梁。沿冒顶区下沿，在两侧巷帮掏对称梁窝，梁窝间距600 mm，巷道宽度5.9 m，制作6.5 m 长π 型钢梁，送入梁窝，固定在巷帮上，防止坠落，同时下方用单体柱支撑，单体柱间距1.1 m，每排5 根。在冒顶区下方按照600 mm间距依次铺设固定钢梁，形成底部初始支撑模板。

（2）π 型钢梁上方铺设双层钢筋网。采用10 cm×10 cm 网格的钢筋网，铺在π 型钢梁上方，搭接宽度不小于300 mm，铺设双层。

（3）双层钢筋网上方铺多层风筒布。采用废旧风筒布，要求不能破损，沿钢筋网上方依次搭接铺设，搭接宽度不小于500 mm，至少铺3 层。冒顶区边缘处要沿边缘向上至少铺500 mm 高，尽量贴帮，固定在帮上。如图3。

图3 模板支设示意图（m）

（4）沿巷道走向方向，在巷道正中位置，每隔2 m 左右往上插入一根注浆管，注浆管采用4 分或6 分钢管，2 m/根，丝扣连接加长。注浆管顶端要接触到顶板，注浆管在模板上位置要填塞棉纱，防止漏浆。如图4。

图4 注浆管布置示意图（m）

3 无机充填材料及充填工艺

3.1 无机充填材料

冒顶区充填材料应以充填体轻质、固化快、膨胀倍数高、材料用量少、完全阻燃为主要原则，起到充满填实、避免瓦斯积聚的目的。

本次使用的无机充填材料为一种纯无机发泡材料，绝对阻燃，分A 型和B 型，分别加水搅拌，水灰比1.5:1，混合后约1～2 min 失去流动性，10～15 min 完全固化。成型后充填体密度约0.6 g/cm3，最高反应温度35 ℃，膨胀4～5 倍，2 h 强度0.6 MPa，3 d 强度2 MPa。

3.2 充填工艺

充填系统如图5。注浆泵采用一台2ZBQ50/19双液气动注浆泵，A 料B 料同步出浆，配备两个气动搅拌桶QB260，2 个盛浆桶。采用两趟管路分别输送两种浆液，单浆可输送500 m 左右，实现远距离输送。在充填点位置通过三通混合器混合，连接注浆管开始充填。

图5 充填系统示意图

充填过程中，注意事项如下：

（1）注意A 料和B 料配比，避免比例不均匀造成凝固速度慢；

（2）控制充填速度，给浆液足够的凝固时间，防止模板压力过大出现漏浆；

（3）要时刻注意漏浆情况，出现漏浆要及时停泵，加固模板；

（4）在高冒区最高位置插入1 根返浆管，返浆管有浆液流出作为充满标志，可以停止。

3.3 锚索补强

充填完毕后，向顶板施工锚索，将充填体吊挂在上层稳定顶板上。锚索间排距1.5 m×1.5 m，长度7.3 m。

4 实施效果

4.1 实施情况

对4 处冒顶区实施了无机充填材料充填，实施情况见表2。4 处冒顶区总体积253 m3，模板支设累计用时34 h，纯充填时间27 h，消耗无机充填材料49.2 t，实施速度快。

表2 冒顶区实施情况表

4.2 效果考察

冒顶区充填完毕后，实施锚索钻孔。通过锚索钻孔进行钻孔窥视，发现充填体与顶板紧密贴合，没有缝隙。经过连续2 个月的巷道顶板观测，顶板下沉量几乎为零。

5 结论

（1）采用“下层密闭模板+顶部插管灌注”方式，可以有效封闭冒顶区底部，治理效果更好。

（2）无机充填材料为纯无机发泡材料，绝对阻燃，分为A 型和B 型，水灰比1.5:1，混合后约1～2 min 失去流动性，10～15 min 完全固化。成型后充填体密度约0.6 g/cm3，最高反应温度35 ℃，膨胀4～5 倍，2 h 强度0.6 MPa，3 d 强度2 MPa，可以满足性能和安全要求。

（3）4 处冒顶区总体积253 m3，模板支设累计用时34 h，纯充填时间27 h，消耗无机充填材料49.2 t，实施速度快，充填完毕后充填体与顶板紧密贴合，顶板下沉量几乎为零。