大断面硐室施工冒顶事故原因分析及治理技术

许 春

(河南锦源建设有限公司，河南省郑州市，450042)

1 工程概况

郑煤集团李粮店矿井是一座设计能力240万t/a的大型矿井，矿井主采二1煤层，为立井单水平上下山开拓，初期布置主、副、风井3个立井，井筒净径分别为5 m、6 m、5 m，井筒设计深度分别为741 m、488 m、502 m。矿井底主排水泵房设计位置在副井井筒南侧，东西方向布置，长度80 m，硐室距副井筒净距27 m，硐室总体处于灰岩中。泵房硐室掘进宽6400 mm，掘进高7200 mm，掘进断面积41.6 m2；泵房硐室设计采用两次支护：一次锚(索)网喷联合支护，C15喷厚150 mm，采用ø20 mm×2000 mm矿用树脂锚杆、锚杆间排距700 mm×700 mm、设计锚固力不低于64 kN，锚索采用ø15.5 mm×4000 mm钢绞线、配400 mm长12号工字钢作托盘、间排距2100 mm×2100 mm、每排3根、设计锚固力不低于100 kN，金属网规格ø6.5 mm×1000 mm×2000 mm、搭接长度100 mm；二次C40砼支护400 mm，净断面积31.2 m2，铺底厚200 mm，基础深度250 mm。

2 主排水泵房冒顶事故

该主排水泵房硐室于2011年9月份开工，至10月底完成硐室掘进并进行了一次支护(二次支护暂未施工)。2011年12月3日井下泵房主体出现大面积冒顶，经测量冒顶范围主要为泵房主体由西向东22～40 m段，顶板冒落高度在5～8 m之间。为保证作业安全，井下各工作面全部停止施工。

3 泵房硐室冒顶原因分析

3.1 一次支护设计强度不足

本案中泵房硐室埋深大、跨度大、断面大，因而地应力大、应力集中程度高；且硐室处于层状岩层中(L6～L8灰)，各岩层厚度不大(3 m左右)，层间粘结力弱，一次支护设计中锚索长度太短(长度4 m)且数量少(每排3根)，不能伸入到相对稳定岩层中起到强力悬吊的作用。

3.2 二次永久支护时间滞后

本案支护设计中，一次支护实为临时支护并作为永久支护的一部分，在一次支护后一定时间段内或掘进一定长度段内应及时进行二次支护。但实际施工中，50 m硐室掘进了近两个月，而后又停了一个月还未进行二次永久支护。大断面硐室因时间延长，加之相邻多条巷道施工爆破影响，致使松动圈扩展、支护体破坏失稳而冒顶。

3.3 施工中锚杆未严格按要求布置

支护重顶轻帮，实际硐室帮部空帮高度达2～3 m,每排缺6根锚杆，对泵房硐室稳定有一定影响。

3.4 监测工作缺失

《煤矿安全规程》中对岩巷锚杆支护未有必须监测的规定，但从实践经验来说，对于这种大埋深、大断面、层状顶板围岩，应加强表板离层监测工作，以及时预警，防患于未然。

4 主排水泵房冒顶治理技术

4.1 方案选择

进行硐室冒顶治理，恢复硐室支护的主要方案如下所述。

(1)木垛法。即架设托棚并穿长梁，在上面搭设木垛接顶，每搭完一个后下面架设密集支架，依次处理完整个冒顶区；后对支架全部喷浆封闭，并对整个冒顶区进行壁后充填注浆；最后进行二次永久支护。

(2)撞楔法。即在撞楔及背板掩护下，一次性架设永久性支架，直到通过冒顶区；后对支架全部喷浆封闭，并对整个冒顶区进行壁后充填注浆；最后进行二次永久支护。

(3)充填注浆法。即对冒顶区两端用砖墙密闭，将整个冒顶区域实施充填注浆；后对充填区掘进，采用密集支架支护；最后进行二次永久支护。

以上3个方案中，方案(1)因顶部空间极大(宽7 m，高5～8 m),冒落空间以上岩石不稳定，且硐室自身高度7.2 m，运料难度极大，总体风险极大；方案(2)因硐室断面极大，实际实施撞楔时数量多且难以有效背实，加之冒落区内大块矸石多，实施撞楔施工很难准确控制，强行施工也具有很大风险且进度极慢；方案(3)先行注浆后整体围岩会稳定，再行开挖相对安全，治理时间相对较短，但费用有所增加。综合比较，选用方案(3)作为治理方案。

4.2 方案实施顺序

(1)先对泵房硐室未冒落区域进行整体加固，即由东、西两端架棚至冒落区后停止架棚。

(2)对泵房硐室冒落区域进行注浆充填加固。对硐室内已冒落堆积的虚矸进行喷浆封闭，然后在适当位置码放砂袋接顶，最后将砂袋外表喷浆封闭、加固，作为止浆墙；采用双液浆对硐室内堆积的虚矸进行加固，选用2台2TGZ-60/210注浆泵在东、西两工作面同时施注，浆液通过提前预埋的钢管输送；下部虚矸充填完毕后，开始使用单液水泥浆充填拱部冒空区及冒空区以外约5 m范围内的围岩，浆液通过提前预埋的钢管输送；注浆完毕后，从东、西两工作面同时对冒落区以外的硐室主体进行二次钢筋混凝土浇筑。在后巷永久支护的同时，对冒顶区域进行注浆效果检查，并进一步注浆充填；后部硐室主体浇筑完毕后，清理工作面，将止浆墙破除，准备掘进冒落充填区。同时再次对冒顶区域注浆效果进行检查；检查注浆充填效果，保证密实可靠。

(3)对己加固冒顶区再次掘进支护。施工采用管棚超前支护。使用36U钢棚，间距600 mm。管棚使用ø40 mm×2500 mm钢管，沿拱部半圆外100 mm布置，间距300 mm，造孔选用YT-28钻机配直径42 mm钻头钻进，钢管采用撞击法打入2400 mm，每三棚进行一次管棚超前支护。

管棚施工完毕后开始人工风镐掘进，每次掘进0.6 m，掘够尺寸后立即架设36U型棚支护，并将U型棚拱部采用长锚索支护至冒顶外的大占砂岩中2 m以上。

冒顶区每掘进约8 m后进行二次钢筋混凝土浇筑，浇筑长度5 m，具体分段浇筑长度根据现场情况及设计参数确定，但最大不得超过8 m。

按此方法短掘、短支、短砌通过冒顶区。

掘进中每5 m对注浆充填情况进行一次效果检验，发现异常必须重新注浆加固或采取其他加固措施后方可恢复掘进。

(4) 全部硐室进行混凝土浇筑完毕后，对硐室主体外围岩再次进行壁后充填加固注浆。

4.3 方案实施要点

4.3.1 注浆加固

(1)止浆墙喷浆前需提前在虚矸堆上及冒空区预埋1寸注浆管。具体在虚矸堆上距底板3 m以上位置放置10根注浆管，东、西工作面各5根，长度约15 m，管上每300 mm打4个小孔，沿管壁梅花状布置，管长可根据现场情况尽量接长；顶部冒落区放置注浆管10根，东、西工作面各5根，长度根据实际情况尽量接顶，注浆管向冒顶处倾斜60°放置并固定，孔端应尽量深入冒空区，管长及管子数量可根据现场情况加大。

(2)按先底板虚矸后顶部冒落区顺序注浆。首先使用水泥-水玻璃双液浆充填加固底板虚矸，水泥选用P.O42.5水泥，水灰比1∶1，C∶S=1∶0.5,水玻璃选用液体硅酸钠型,浓度Be′=38～40,模数M=2.4～3.2，底板虚矸内浆液凝固8 h以上；而后通过顶部冒落区内预置的注浆管开始注浆充填冒落区及周边围岩，浆液使用单液水泥浆，注浆压力以不超过2 MPa为准。

(3)通过在两端工作面拱顶处提前预埋的短管判断硐室内虚矸注浆程度，当短管出浆时采用间歇式注浆，直到短管连续出浆30 min后方可停止。预计注浆充填高度进入冒顶区超过拱顶厚2 m时停止注浆，初凝一段时间后再恢复顶部冒落区充填注浆。

(4)全部注浆完毕后凝固时间不少于14 d。

4.3.2 掘进施工

(1)掘进前在两端工作面各打2探孔，分别检查顶部及前方注浆体充填密实情况及强度，前探长度6 m，前探随工作面掘进分段超前进行，满足要求后方可掘进，否则必须再次注浆加固或采取其他措施。

(2)掘进施工须加工专门的支护台车，平台分上下两层，配合一台回柱绞车牵引行走，各平台铺设牢固的铺板并四周设防护栏杆。

(3)保证施工“五原则”：弱扰动，管超前，短掘进，小开挖，强支护。弱扰动指采用人工风镐掘进，必要时只可对棚腿底窝处进行小松动炮处理(1次爆破不超过2个炮眼，总装药量不大于500 g)；管超前指采用管棚超前支护，钢管采用撞击法打入，并保证管棚超前距不少于1200 mm；短掘进指每循环进尺保持不大于500 mm，开挖后及时架36U型金属支架，棚后铺ø6.5 mm钢筋网片，网间拱接100 mm，12#铁丝联网间距300 mm；小开挖指分断面小面积开挖，即断面以拱基线为准分为上下两部分、上部超前下部2.4 m，先进行拱基线以上部分掘进并逐架架设顶梁；而后顺序开挖支架两柱腿及顶梁部分，每侧柱腿开挖宽度1.6 m，其余部分保持滞后3 m；强支护指每掘进及架棚8 m后及时进行二次钢筋混凝土浇筑，浇筑长度不小于5 m，具体浇筑长度可根据现场情况及设计参数调整。

图1 泵房开挖示意图

4.3.3 整体壁后注浆加固

硐室主体二次混凝土浇筑完毕后，对硐室主体进行再次注浆充填加固，冒落区采取深孔注浆，注浆措施另行编制。

4.4 方案实施效果

采用以上治理技术，安全顺利完成了冒顶区架棚处理，共用时45 d。进行二次永久支护后，经十字位移监测，硐室整体稳定。

5 结语

对于矿山井巷工程支护，合理的支护参数、支护顺序及支护时间对巷道围岩支护可靠性有着重大影响。特别是深井大断面硐室支护问题，目前虽然大部分可实现安全施工，有着很多采用锚网索喷联合支护成功的范例，但也要科学谨慎，确保万无一失；尤其是高应力、层状或破碎围岩中，或设计锚杆一次支护二次砌碹支护的条件下，必须高度注意一次支护的强度及二次支护的及时性问题，在设计及施工中予以明确两次支护时间间隔或滞后距离。随着注浆锚杆及注浆锚索的推广应用，可不断优化支护设计，同时切实加强巷道位移及离层监测，保证支护及时可靠。