崔 志 強

（晉城煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

工作面遇陷落柱時，由于陷落柱邊緣與煤體交界部分十分軟弱，因此，極易發(fā)生片幫、冒頂事故。目前針對陷落柱常采用兩種方法治理，第一種是后處理，即工作面出現(xiàn)片幫跡象時，及時采用化學漿加固頂板和煤壁，依靠強大的粘接性能，提高承載能力和穩(wěn)定性，必要時配合玻璃鋼錨桿對工作面煤壁進行支護[1]；第二種是預處理，即超前工作面一定距離，在兩順槽向陷落柱施工深孔，采用超細水泥注漿材料，通過預注漿提高煤壁和頂板完整性和強度，減輕工作面片幫、冒頂現(xiàn)象[2]。相比而言，第二種更具有技術優(yōu)勢。但大多工程實踐表明，針對軟弱頂板，超前預注漿不能取得理想的效果。因為超細水泥為無機材料，粘接性能差，受壓后漿體與煤體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，裂隙重新張開，容易發(fā)生片幫，軟弱頂板抗拉強度極低，一旦發(fā)生片幫，頂板失去支撐必然發(fā)生破碎、冒落。因此，必須設法提高頂板自身穩(wěn)定性。管棚加固技術在隧道施工中廣泛應用，通過管棚形成的假頂，可以順利通過破碎區(qū)域，該技術在煤礦應用較少。本文以趙莊二號井2309 工作面為例，研究工作面過陷落柱軟弱頂板管棚加固技術。

1 工程概況

趙莊二號井2309 工作面走向長1500m，傾斜長160m，開采3#煤層，平均厚度為4.5m，煤層在走向上和傾向上近水平。采用放頂煤開采方式，機采高度2.8m，放煤高度1.7m，布置23091 和23092 兩條順槽，均沿頂板掘進。工作面在回采進度810m 位置探測到一陷落柱JDX16，走向上范圍為回采進度810m～870m，傾向上范圍為距離23091 巷20m～60m，如圖1 所示。

圖1 JDX16 陷落柱與工作面位置關系示意圖

2309 工作面煤層強度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，松軟破碎，直接頂為易風化復合泥巖，厚度2～3m，容易發(fā)生下沉，甚至冒落，在順槽掘進中已有體現(xiàn)，順槽中存在多處冒頂區(qū)。工作面推進到JDX16 陷落柱時，預計將會對回采產(chǎn)生嚴重影響，必須進行加固。

2 管棚加固技術原理

管棚加固技術是在順槽內(nèi)向構(gòu)造區(qū)上方頂板施工鉆孔，根據(jù)頂板軟弱程度設計管棚間距，將無縫鋼管逐節(jié)連接送入孔內(nèi)，然后通過注漿將無縫鋼管固定，形成類似全長錨固結(jié)構(gòu)，提高管棚對于頂板下沉的敏感性，軟弱頂板通過加入管棚，二者同步變形，利用鋼管的抗彎抗折性能極大地提高了頂板的抗拉能力，且管棚形成的結(jié)構(gòu)能夠利用穩(wěn)定區(qū)提供的承載力對破碎區(qū)提供有效支撐力，從而提高整體的抗變形能力，如圖2 所示。

圖2 管棚作用原理示意圖

管棚合理層位：根據(jù)長期的工程實踐，當軟弱頂板厚度＜3m 時，應將管棚布置在頂板中部位置，當軟弱頂板厚度＞3m 時，應將管棚布置在距離軟弱頂板底部1.5m 位置。若布置層位過高，則對管棚層位下方頂板控制能力減弱，容易發(fā)生冒頂；若布置層位過低，則管棚控制頂板高度過小，頂板容易連同管棚一起發(fā)生冒落。

管棚間距：管棚間距越大，鋼管之間聯(lián)系越弱，效果越差，適當減小間距，有利于管棚作用發(fā)揮，但鉆孔過密時，容易對頂板結(jié)構(gòu)造成破壞，降低頂板原始強度，因此，管棚間距以0.5m～1.5m 為宜。

管棚材質(zhì)：管棚的作用在于抗彎抗折性能，提高材質(zhì)的剛度尤為重要，當材質(zhì)的直徑和壁厚增大時，能夠顯著提高材質(zhì)的剛度，因此，現(xiàn)場一般選用直徑超過φ50mm、壁厚超過5mm 的無縫鋼管，根據(jù)鉆孔孔徑，鋼管直徑不宜超過φ108mm，同時應在鋼管接頭處加長絲扣，提高接頭處穩(wěn)定性。當現(xiàn)場條件十分惡劣時，甚至可以直接采用剛度極大的鉆桿代替無縫鋼管。

3 管棚技術加固工業(yè)性試驗

3.1 鉆孔布置

鉆孔布置原則：陷落柱的典型特點為中部堅硬，邊緣松軟，因此以加固重點為陷落柱與煤體交界面。陷落柱影響區(qū)域不再進行放煤，工作面沿煤層頂板推進，布置上、下兩排鉆孔，上排鉆孔加固頂板，層位在機采高度上方1.5m，加入管棚，鉆孔深度應超過陷落柱邊緣10m，下排孔加固機采高度中上部，即頂板下方1.2m 位置，加固范圍為陷落柱邊緣，超過陷落柱邊緣5m，孔深25～70m 不等，如圖3 所示。

圖3 鉆孔加固層位及范圍示意圖

陷落柱靠近23091 巷一側(cè)，在23091 巷布置深孔，鉆孔上下兩排，考慮鉆桿下沉因素，上排鉆孔距離頂板0.5m，仰角3°，孔深70m，間距1m；下排孔距離頂板1.2m，仰角1°，孔深25～70m，間距5m，孔徑均為φ94mm，鉆孔布置平面圖如圖4 所示。下排鉆孔各鉆孔深度見表1 所示。

圖4 注漿鉆孔布置平面圖

表1 下排鉆孔各鉆孔深度表

3.2 管棚布置方式

上排孔頂板加固采用管棚方式，選用直徑φ73mm、壁厚6mm 的無縫鋼管，2m/節(jié)，每個鉆孔采用35 節(jié)全長插管，采用絲扣連接，總長70m。

下排鉆孔層位在機采高度范圍，考慮采煤機割煤，不可加入管棚，僅進行注漿。

3.3 注漿管

上排鉆孔：直接利用無縫鋼管作為注漿管，管口加工轉(zhuǎn)接頭可以與φ19mm 高壓膠管接頭連接；

下排鉆孔：外部10m 采用6 分鐵管，2m/節(jié)，使用5 節(jié)，內(nèi)部采用PVC 管到達孔底。

3.4 注漿材料及注漿方式

注漿材料分為兩種，緩凝材料作為主要材料，出現(xiàn)漏漿時采用速凝材料進行堵漏：

1）緩凝材料：水泥- 納米灌注劑，水泥采用52.5級普通硅酸鹽水泥，輔以XPM納米灌注劑為主要添加劑，漿液水灰比為1：1：0.15，可根據(jù)裂隙發(fā)育程度來具體確定，凝膠時間為6～15h，結(jié)石抗壓強度為5MPa 以上，用于灌注、充填較小裂隙；

2）速凝堵漏材料：水泥—水玻璃漿，水泥采用52.5 級普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為30～40°Bé,模數(shù)為n=2.4～3.4，水泥漿和水玻璃體積比例為1：0.8～1：0.5，凝膠時間為1～3min，結(jié)石抗壓強度為5MPa 以上，用于快速凝固堵漏。

3.5 效果考察

加固范圍為回采進度800m～880m，共80m 長度，累計施工上排鉆孔81 個，下排鉆孔17 個，鉆孔總進尺6382m，消耗φ73mm、壁厚6mm 的無縫鋼管5670m，上排孔平均單孔注漿量0.8t，下排孔平均單孔注漿量5t，累計使用注漿材料149.8t。

工作面推進到陷落柱區(qū)域時，幫部揭露下排鉆孔注漿管，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)、孔內(nèi)、鉆孔上下2m 范圍的裂隙，均得到凝固漿液填充，擴散效果良好，頂板發(fā)生輕微下沉，未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，工作面正常推進速度3m/d，通過60m 構(gòu)造區(qū)累計用時25d，平均推進速度2.4m/d，工作面順利通過JDX16 陷落柱。

4 結(jié) 論

1）工作面過陷落柱軟弱頂板區(qū)域，僅依賴注漿難以起到良好效果，必須配合管棚加固技術提高頂板自身穩(wěn)定性；

2）介紹了管棚加固技術原理，分析了管棚合理層位、管棚間距和管棚材質(zhì)選擇；

3）針對趙莊二號井JDX16 陷落柱，設計了管棚加固注漿方案并進行了現(xiàn)場試驗，鉆孔總進尺6382m，消耗φ73mm 的無縫鋼管5670m，累計使用注漿材料149.8 噸，工作面通過陷落柱區(qū)域未發(fā)生冒頂現(xiàn)象，平均推進速度2.4m/d，管棚加固效果良好。