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[摘要]：本文阐述了TWK复合剂水泥浆对井下巷道破碎顶板的加固技术，并通过对陷落柱区破碎顶板进行超前加固的实践运用，有效地控制了围岩垮落，为架设永久支护，提供了时间和空间，证明此施工工艺简单，安全可靠，成本低，具有良好的技术经济效益。
[关键词]：TWK复合剂水泥浆 破碎顶板 超前加固
1.问题是提出
阳煤集团三矿是一个采用综合开拓方式开采的大型矿井，始建于1950年5月，现有裕公井和竖井两个生产矿井。其中竖井井田面积为27.37Km2；批准开采煤层为15#煤层，矿井的开拓方式为立井开拓，矿井设计生产能力900Kt/a，核定生产能力为3500 Kt/a；15#煤层平均厚度6.0m，普氏系数f=2～3；工作面回采使用综合机械化放顶煤工艺，采准巷道掘进全部使用综掘工艺。工作面巷道掘进期间，经常遇见断层或陷落柱等构造，由于受地应力影响，构造附近的煤体和岩体破碎，塌顶严重，施工困难，安全威胁大，月进度很低，采掘接替紧张，直接影响安全与生产。
2.TWK复合剂水泥浆加固机理
TWK复合剂水泥浆是由TWK纳米级水泥基复合剂、TWK高强固化剂与水泥组成。TWK纳米级水泥基复合剂、TWK高强固化剂与水泥搅拌后勃朗运动活泼，同时与CaOH2进行化学反应，生成真溶液状的C—S—H凝胶液，注射入岩层后，使其渗透系数0.01mm的泥岩、粉质砂岩充分胶结，有效地加固松散破碎的围岩，使之成为整体，提高了围岩的整体承载能力，从而控制巷道顶板的垮落。特别是能使水浸后的酥软泥岩得到充分固化，提高围岩整体强度及自稳承载力，使井巷开挖达到安全、高效、快速之效果。
3.施工工艺
3.1 生产技术条件
施工巷为我矿竖井扩四区K8403综掘工作面的进风、运输巷。该巷道走向长度1270m，构造区外的煤巷采用RS-100型综掘机沿煤层底板掘进，矩形断面全锚索带网联合支护；巷道掘至450m处遇到一个长轴70m短轴40m的陷落柱构造，由于陷落柱内岩石十分松散，且因岩层水的长期浸泡碎岩块间胶结性很差，改变综掘为炮掘工艺掘进，矩形断面全锚索带网联合支护改为拱形断面29U型钢拱形支架支护。
由于受陷落柱影响，巷道的顶板破碎，整体性差，虽然采用了打超前锚杆，缩小循环进尺（每班架一棚，进尺0.6m）的方法，但仍难以控制工作面的片帮冒顶，发生了塌顶综掘机被压埋事故，人身安全威胁很大。为了有效控制帮顶大面积跨落，决定采用注TWK复合剂水泥浆支护技术，对掘进工作面顶板进行超前粘结加固。
3.2 注浆施工准备
（1）准备动力风源要求4-7Mpa；
（2）准备直径1寸的压风管胶管，长度40m；
（3）准备四根10m长的φ25mm的高压胶管；
（4）注浆花管采用φ25mm的无缝钢管，每节长2.8米；每节花管一端带丝扣30mm，另一端为150mm长的锥体形，中间部分沿管的延伸方向对称布置四排出浆孔，孔的布置为梅花形，孔径为φ10mm。其它尺寸如注浆花管示意图1
（5）储浆桶4个（可用油桶做）；
（6）风动式Ⅲ型注浆泵1台；
（7）自制风动式搅拌器。
3.3 注浆工艺：
TWK复合剂水泥浆工艺：打眼→埋设注浆管→安装混合器→用高压出浆胶管连接混合器和注浆泵→将两根吸浆管分别插入装有水泥、TWK复合剂和TWK固化剂的桶内→开泵注浆→冲洗机具→停泵→拆卸注射枪。
每孔注浆量根据注浆压力确定，施工时必须严格控制注浆压力，当注浆压力达到5-7Mpa或出现大面积漏浆（漏浆量=泵的注入量）时，即可换孔注浆或停止注浆。
3.3.1 具体工艺
（1）沿巷道轮廓线钻孔，孔间距500mm；注浆孔用7655风动凿岩机配合3.0m长的六棱钻杆及φ38mm的“一字形”岩石钻头钻孔，孔长2.5m；注浆钻孔布置如图示2。
（2）预埋注浆花管，为防止漏浆、下滑，必须用麻绳缠紧封口端，塞入孔内；
（3）对设备及配件进行检查、连接、调试（包括风压、设备吸料比例）；
（4）连接注射管、封孔器及花管；
（5）连接混合器开始注浆，并及时向料桶 添加浆液；
（6）当一个孔注浆结束后，停泵卸压；
（7）快速换孔重复上述工序注浆，依次注完每一循环的所有孔；
（8）注浆完毕后，用水冲洗多功能泵和附件。
3.4 掘进施工工艺：
检查工作面注浆花管超前维护顶板情况→钻眼、装药、爆破→检查处理掌头活矸→临时支护→出矸→永久支护（U型棚）→下一循环。
3.5 施工问题与采取的措施：
一是浆液从钻孔和封口器之间、或迎头煤岩体裂隙中渗透、冒出。二是用水冲洗机具不彻底造成堵管。采取的措施：根据煤岩体裂隙发育情况，合理地确定封口器埋设的深度。埋设前将封口器位置注孔内的煤粉块清理干净，保证封口器膨胀后与孔壁结合紧密。对煤岩渗透出的少量浆液采用棉纱封堵，若冒出浆液过大则要重新布孔重新注浆，确保注浆效果。每循环注完后要用水对所有的管路进行清洗一遍，确保管路无残留浆液凝固。
4.技术经济及社会效益
应用TWK复合剂水泥浆对陷落柱构造区的超前加固与金属U型棚联合支护段巷道，与金属U型棚单一支护段巷道的对比分析，不仅确保了安全生产，而且取得了显著的技术经济和社会效益。
4.1 创新性
这种加固顶板方法创新性。过去加固顶板一般采用的是机械方法，如架棚挑棚、打锚杆锚索。注TWK复合剂水泥浆是一种物理和化学加固相结合的方法，它是由水泥、TWK复合剂和TWK固化剂混合组成，混合浆液注入岩层对围岩松动圈裂隙进行充填，对破碎松散体进行粘结，使之成为整体，提高了围岩的稳定性的抗压承载能力。
4.2 安全性
未注TWK复合剂水泥浆前，该陷落柱区的顶板是破碎的煤岩体，塌顶严重，掘进、支护人工构顶安全威胁大，并发生了一次塌顶溃泻掩埋设备的重大生产事故，险些造成人身伤亡事故；采取注TWK复合剂水泥浆后，顶板状态良好，未发生冒顶现象，保证了作业安全可靠性。
4.3 经济性：
此工艺不仅具有：操作简便，注浆泵体积小，重量轻，压风作动源，正常操作两人即可（一人观察巷道顶帮，若漏浆用棉纱封堵；一人更换原料，观察注射泵的运转情况）；而且技术效果显著、经济成本低，与目前大量使用的玛丽散化学加固剂比较成本可降低60%～70%。
5.结论
实践证明，应用TWK复合剂水泥浆，是一种物理、化学相结合的加固顶板技术。应用该技术，能及时地改变了围岩的松散结构，提高了岩体的整体强度，提高了施工安全可靠性，从而提高了施工速度，保证了工作面的正常接替，它不仅适应于封堵水工程、新生代黄土、粘土、流沙层的注浆加固，而且适宜井下冒落带、松散区、陷落柱（无炭柱）超前预注浆加固，特别是能使水浸后的酥软泥岩得到充分固化，提高围岩整体强度及自稳承载力，使井巷开挖达到安全、高效、快速之效果。TWK复合剂水泥浆加固技术值得煤矿井下破碎围岩异常区推广应用。
[关键词]：TWK复合剂水泥浆 破碎顶板 超前加固
1.问题是提出
阳煤集团三矿是一个采用综合开拓方式开采的大型矿井，始建于1950年5月，现有裕公井和竖井两个生产矿井。其中竖井井田面积为27.37Km2；批准开采煤层为15#煤层，矿井的开拓方式为立井开拓，矿井设计生产能力900Kt/a，核定生产能力为3500 Kt/a；15#煤层平均厚度6.0m，普氏系数f=2～3；工作面回采使用综合机械化放顶煤工艺，采准巷道掘进全部使用综掘工艺。工作面巷道掘进期间，经常遇见断层或陷落柱等构造，由于受地应力影响，构造附近的煤体和岩体破碎，塌顶严重，施工困难，安全威胁大，月进度很低，采掘接替紧张，直接影响安全与生产。
2.TWK复合剂水泥浆加固机理
TWK复合剂水泥浆是由TWK纳米级水泥基复合剂、TWK高强固化剂与水泥组成。TWK纳米级水泥基复合剂、TWK高强固化剂与水泥搅拌后勃朗运动活泼，同时与CaOH2进行化学反应，生成真溶液状的C—S—H凝胶液，注射入岩层后，使其渗透系数0.01mm的泥岩、粉质砂岩充分胶结，有效地加固松散破碎的围岩，使之成为整体，提高了围岩的整体承载能力，从而控制巷道顶板的垮落。特别是能使水浸后的酥软泥岩得到充分固化，提高围岩整体强度及自稳承载力，使井巷开挖达到安全、高效、快速之效果。
3.施工工艺
3.1 生产技术条件
施工巷为我矿竖井扩四区K8403综掘工作面的进风、运输巷。该巷道走向长度1270m，构造区外的煤巷采用RS-100型综掘机沿煤层底板掘进，矩形断面全锚索带网联合支护；巷道掘至450m处遇到一个长轴70m短轴40m的陷落柱构造，由于陷落柱内岩石十分松散，且因岩层水的长期浸泡碎岩块间胶结性很差，改变综掘为炮掘工艺掘进，矩形断面全锚索带网联合支护改为拱形断面29U型钢拱形支架支护。
由于受陷落柱影响，巷道的顶板破碎，整体性差，虽然采用了打超前锚杆，缩小循环进尺（每班架一棚，进尺0.6m）的方法，但仍难以控制工作面的片帮冒顶，发生了塌顶综掘机被压埋事故，人身安全威胁很大。为了有效控制帮顶大面积跨落，决定采用注TWK复合剂水泥浆支护技术，对掘进工作面顶板进行超前粘结加固。
3.2 注浆施工准备
（1）准备动力风源要求4-7Mpa；
（2）准备直径1寸的压风管胶管，长度40m；
（3）准备四根10m长的φ25mm的高压胶管；
（4）注浆花管采用φ25mm的无缝钢管，每节长2.8米；每节花管一端带丝扣30mm，另一端为150mm长的锥体形，中间部分沿管的延伸方向对称布置四排出浆孔，孔的布置为梅花形，孔径为φ10mm。其它尺寸如注浆花管示意图1
（5）储浆桶4个（可用油桶做）；
（6）风动式Ⅲ型注浆泵1台；
（7）自制风动式搅拌器。
3.3 注浆工艺：
TWK复合剂水泥浆工艺：打眼→埋设注浆管→安装混合器→用高压出浆胶管连接混合器和注浆泵→将两根吸浆管分别插入装有水泥、TWK复合剂和TWK固化剂的桶内→开泵注浆→冲洗机具→停泵→拆卸注射枪。
每孔注浆量根据注浆压力确定，施工时必须严格控制注浆压力，当注浆压力达到5-7Mpa或出现大面积漏浆（漏浆量=泵的注入量）时，即可换孔注浆或停止注浆。
3.3.1 具体工艺
（1）沿巷道轮廓线钻孔，孔间距500mm；注浆孔用7655风动凿岩机配合3.0m长的六棱钻杆及φ38mm的“一字形”岩石钻头钻孔，孔长2.5m；注浆钻孔布置如图示2。
（2）预埋注浆花管，为防止漏浆、下滑，必须用麻绳缠紧封口端，塞入孔内；
（3）对设备及配件进行检查、连接、调试（包括风压、设备吸料比例）；
（4）连接注射管、封孔器及花管；
（5）连接混合器开始注浆，并及时向料桶 添加浆液；
（6）当一个孔注浆结束后，停泵卸压；
（7）快速换孔重复上述工序注浆，依次注完每一循环的所有孔；
（8）注浆完毕后，用水冲洗多功能泵和附件。
3.4 掘进施工工艺：
检查工作面注浆花管超前维护顶板情况→钻眼、装药、爆破→检查处理掌头活矸→临时支护→出矸→永久支护（U型棚）→下一循环。
3.5 施工问题与采取的措施：
一是浆液从钻孔和封口器之间、或迎头煤岩体裂隙中渗透、冒出。二是用水冲洗机具不彻底造成堵管。采取的措施：根据煤岩体裂隙发育情况，合理地确定封口器埋设的深度。埋设前将封口器位置注孔内的煤粉块清理干净，保证封口器膨胀后与孔壁结合紧密。对煤岩渗透出的少量浆液采用棉纱封堵，若冒出浆液过大则要重新布孔重新注浆，确保注浆效果。每循环注完后要用水对所有的管路进行清洗一遍，确保管路无残留浆液凝固。
4.技术经济及社会效益
应用TWK复合剂水泥浆对陷落柱构造区的超前加固与金属U型棚联合支护段巷道，与金属U型棚单一支护段巷道的对比分析，不仅确保了安全生产，而且取得了显著的技术经济和社会效益。
4.1 创新性
这种加固顶板方法创新性。过去加固顶板一般采用的是机械方法，如架棚挑棚、打锚杆锚索。注TWK复合剂水泥浆是一种物理和化学加固相结合的方法，它是由水泥、TWK复合剂和TWK固化剂混合组成，混合浆液注入岩层对围岩松动圈裂隙进行充填，对破碎松散体进行粘结，使之成为整体，提高了围岩的稳定性的抗压承载能力。
4.2 安全性
未注TWK复合剂水泥浆前，该陷落柱区的顶板是破碎的煤岩体，塌顶严重，掘进、支护人工构顶安全威胁大，并发生了一次塌顶溃泻掩埋设备的重大生产事故，险些造成人身伤亡事故；采取注TWK复合剂水泥浆后，顶板状态良好，未发生冒顶现象，保证了作业安全可靠性。
4.3 经济性：
此工艺不仅具有：操作简便，注浆泵体积小，重量轻，压风作动源，正常操作两人即可（一人观察巷道顶帮，若漏浆用棉纱封堵；一人更换原料，观察注射泵的运转情况）；而且技术效果显著、经济成本低，与目前大量使用的玛丽散化学加固剂比较成本可降低60%～70%。
5.结论
实践证明，应用TWK复合剂水泥浆，是一种物理、化学相结合的加固顶板技术。应用该技术，能及时地改变了围岩的松散结构，提高了岩体的整体强度，提高了施工安全可靠性，从而提高了施工速度，保证了工作面的正常接替，它不仅适应于封堵水工程、新生代黄土、粘土、流沙层的注浆加固，而且适宜井下冒落带、松散区、陷落柱（无炭柱）超前预注浆加固，特别是能使水浸后的酥软泥岩得到充分固化，提高围岩整体强度及自稳承载力，使井巷开挖达到安全、高效、快速之效果。TWK复合剂水泥浆加固技术值得煤矿井下破碎围岩异常区推广应用。