大斷面硐室施工冒頂事故原因分析及治理技術

許 春

(河南錦源建設有限公司，河南省鄭州市，450042)

1 工程概況

鄭煤集團李糧店礦井是一座設計能力240萬t/a的大型礦井，礦井主采二1煤層，為立井單水平上下山開拓，初期布置主、副、風井3個立井，井筒凈徑分別為5 m、6 m、5 m，井筒設計深度分別為741 m、488 m、502 m。礦井底主排水泵房設計位置在副井井筒南側，東西方向布置，長度80 m，硐室距副井筒凈距27 m，硐室總體處于灰?guī)r中。泵房硐室掘進寬6400 mm，掘進高7200 mm，掘進斷面積41.6 m2；泵房硐室設計采用兩次支護：一次錨(索)網噴聯合支護，C15噴厚150 mm，采用?20 mm×2000 mm礦用樹脂錨桿、錨桿間排距700 mm×700 mm、設計錨固力不低于64 kN，錨索采用?15.5 mm×4000 mm鋼絞線、配400 mm長12號工字鋼作托盤、間排距2100 mm×2100 mm、每排3根、設計錨固力不低于100 kN，金屬網規(guī)格?6.5 mm×1000 mm×2000 mm、搭接長度100 mm；二次C40砼支護400 mm，凈斷面積31.2 m2，鋪底厚200 mm，基礎深度250 mm。

2 主排水泵房冒頂事故

該主排水泵房硐室于2011年9月份開工，至10月底完成硐室掘進并進行了一次支護(二次支護暫未施工)。2011年12月3日井下泵房主體出現大面積冒頂，經測量冒頂范圍主要為泵房主體由西向東22～40 m段，頂板冒落高度在5～8 m之間。為保證作業(yè)安全，井下各工作面全部停止施工。

3 泵房硐室冒頂原因分析

3.1 一次支護設計強度不足

本案中泵房硐室埋深大、跨度大、斷面大，因而地應力大、應力集中程度高；且硐室處于層狀巖層中(L6～L8灰)，各巖層厚度不大(3 m左右)，層間粘結力弱，一次支護設計中錨索長度太短(長度4 m)且數量少(每排3根)，不能伸入到相對穩(wěn)定巖層中起到強力懸吊的作用。

3.2 二次永久支護時間滯后

本案支護設計中，一次支護實為臨時支護并作為永久支護的一部分，在一次支護后一定時間段內或掘進一定長度段內應及時進行二次支護。但實際施工中，50 m硐室掘進了近兩個月，而后又停了一個月還未進行二次永久支護。大斷面硐室因時間延長，加之相鄰多條巷道施工爆破影響，致使松動圈擴展、支護體破壞失穩(wěn)而冒頂。

3.3 施工中錨桿未嚴格按要求布置

支護重頂輕幫，實際硐室?guī)筒靠諑透叨冗_2～3 m,每排缺6根錨桿，對泵房硐室穩(wěn)定有一定影響。

3.4 監(jiān)測工作缺失

《煤礦安全規(guī)程》中對巖巷錨桿支護未有必須監(jiān)測的規(guī)定，但從實踐經驗來說，對于這種大埋深、大斷面、層狀頂板圍巖，應加強表板離層監(jiān)測工作，以及時預警，防患于未然。

4 主排水泵房冒頂治理技術

4.1 方案選擇

進行硐室冒頂治理，恢復硐室支護的主要方案如下所述。

(1)木垛法。即架設托棚并穿長梁，在上面搭設木垛接頂，每搭完一個后下面架設密集支架，依次處理完整個冒頂區(qū)；后對支架全部噴漿封閉，并對整個冒頂區(qū)進行壁后充填注漿；最后進行二次永久支護。

(2)撞楔法。即在撞楔及背板掩護下，一次性架設永久性支架，直到通過冒頂區(qū)；后對支架全部噴漿封閉，并對整個冒頂區(qū)進行壁后充填注漿；最后進行二次永久支護。

(3)充填注漿法。即對冒頂區(qū)兩端用磚墻密閉，將整個冒頂區(qū)域實施充填注漿；后對充填區(qū)掘進，采用密集支架支護；最后進行二次永久支護。

以上3個方案中，方案(1)因頂部空間極大(寬7 m，高5～8 m),冒落空間以上巖石不穩(wěn)定，且硐室自身高度7.2 m，運料難度極大，總體風險極大；方案(2)因硐室斷面極大，實際實施撞楔時數量多且難以有效背實，加之冒落區(qū)內大塊矸石多，實施撞楔施工很難準確控制，強行施工也具有很大風險且進度極慢；方案(3)先行注漿后整體圍巖會穩(wěn)定，再行開挖相對安全，治理時間相對較短，但費用有所增加。綜合比較，選用方案(3)作為治理方案。

4.2 方案實施順序

(1)先對泵房硐室未冒落區(qū)域進行整體加固，即由東、西兩端架棚至冒落區(qū)后停止架棚。

(2)對泵房硐室冒落區(qū)域進行注漿充填加固。對硐室內已冒落堆積的虛矸進行噴漿封閉，然后在適當位置碼放砂袋接頂，最后將砂袋外表噴漿封閉、加固，作為止?jié){墻；采用雙液漿對硐室內堆積的虛矸進行加固，選用2臺2TGZ-60/210注漿泵在東、西兩工作面同時施注，漿液通過提前預埋的鋼管輸送；下部虛矸充填完畢后，開始使用單液水泥漿充填拱部冒空區(qū)及冒空區(qū)以外約5 m范圍內的圍巖，漿液通過提前預埋的鋼管輸送；注漿完畢后，從東、西兩工作面同時對冒落區(qū)以外的硐室主體進行二次鋼筋混凝土澆筑。在后巷永久支護的同時，對冒頂區(qū)域進行注漿效果檢查，并進一步注漿充填；后部硐室主體澆筑完畢后，清理工作面，將止?jié){墻破除，準備掘進冒落充填區(qū)。同時再次對冒頂區(qū)域注漿效果進行檢查；檢查注漿充填效果，保證密實可靠。

(3)對己加固冒頂區(qū)再次掘進支護。施工采用管棚超前支護。使用36U鋼棚，間距600 mm。管棚使用?40 mm×2500 mm鋼管，沿拱部半圓外100 mm布置，間距300 mm，造孔選用YT-28鉆機配直徑42 mm鉆頭鉆進，鋼管采用撞擊法打入2400 mm，每三棚進行一次管棚超前支護。

管棚施工完畢后開始人工風鎬掘進，每次掘進0.6 m，掘夠尺寸后立即架設36U型棚支護，并將U型棚拱部采用長錨索支護至冒頂外的大占砂巖中2 m以上。

冒頂區(qū)每掘進約8 m后進行二次鋼筋混凝土澆筑，澆筑長度5 m，具體分段澆筑長度根據現場情況及設計參數確定，但最大不得超過8 m。

按此方法短掘、短支、短砌通過冒頂區(qū)。

掘進中每5 m對注漿充填情況進行一次效果檢驗，發(fā)現異常必須重新注漿加固或采取其他加固措施后方可恢復掘進。

(4) 全部硐室進行混凝土澆筑完畢后，對硐室主體外圍巖再次進行壁后充填加固注漿。

4.3 方案實施要點

4.3.1 注漿加固

(1)止?jié){墻噴漿前需提前在虛矸堆上及冒空區(qū)預埋1寸注漿管。具體在虛矸堆上距底板3 m以上位置放置10根注漿管，東、西工作面各5根，長度約15 m，管上每300 mm打4個小孔，沿管壁梅花狀布置，管長可根據現場情況盡量接長；頂部冒落區(qū)放置注漿管10根，東、西工作面各5根，長度根據實際情況盡量接頂，注漿管向冒頂處傾斜60°放置并固定，孔端應盡量深入冒空區(qū)，管長及管子數量可根據現場情況加大。

(2)按先底板虛矸后頂部冒落區(qū)順序注漿。首先使用水泥-水玻璃雙液漿充填加固底板虛矸，水泥選用P.O42.5水泥，水灰比1∶1，C∶S=1∶0.5,水玻璃選用液體硅酸鈉型,濃度Be′=38～40,模數M=2.4～3.2，底板虛矸內漿液凝固8 h以上；而后通過頂部冒落區(qū)內預置的注漿管開始注漿充填冒落區(qū)及周邊圍巖，漿液使用單液水泥漿，注漿壓力以不超過2 MPa為準。

(3)通過在兩端工作面拱頂處提前預埋的短管判斷硐室內虛矸注漿程度，當短管出漿時采用間歇式注漿，直到短管連續(xù)出漿30 min后方可停止。預計注漿充填高度進入冒頂區(qū)超過拱頂厚2 m時停止注漿，初凝一段時間后再恢復頂部冒落區(qū)充填注漿。

(4)全部注漿完畢后凝固時間不少于14 d。

4.3.2 掘進施工

(1)掘進前在兩端工作面各打2探孔，分別檢查頂部及前方注漿體充填密實情況及強度，前探長度6 m，前探隨工作面掘進分段超前進行，滿足要求后方可掘進，否則必須再次注漿加固或采取其他措施。

(2)掘進施工須加工專門的支護臺車，平臺分上下兩層，配合一臺回柱絞車牽引行走，各平臺鋪設牢固的鋪板并四周設防護欄桿。

(3)保證施工“五原則”：弱擾動，管超前，短掘進，小開挖，強支護。弱擾動指采用人工風鎬掘進，必要時只可對棚腿底窩處進行小松動炮處理(1次爆破不超過2個炮眼，總裝藥量不大于500 g)；管超前指采用管棚超前支護，鋼管采用撞擊法打入，并保證管棚超前距不少于1200 mm；短掘進指每循環(huán)進尺保持不大于500 mm，開挖后及時架36U型金屬支架，棚后鋪?6.5 mm鋼筋網片，網間拱接100 mm，12#鐵絲聯網間距300 mm；小開挖指分斷面小面積開挖，即斷面以拱基線為準分為上下兩部分、上部超前下部2.4 m，先進行拱基線以上部分掘進并逐架架設頂梁；而后順序開挖支架兩柱腿及頂梁部分，每側柱腿開挖寬度1.6 m，其余部分保持滯后3 m；強支護指每掘進及架棚8 m后及時進行二次鋼筋混凝土澆筑，澆筑長度不小于5 m，具體澆筑長度可根據現場情況及設計參數調整。

圖1 泵房開挖示意圖

4.3.3 整體壁后注漿加固

硐室主體二次混凝土澆筑完畢后，對硐室主體進行再次注漿充填加固，冒落區(qū)采取深孔注漿，注漿措施另行編制。

4.4 方案實施效果

采用以上治理技術，安全順利完成了冒頂區(qū)架棚處理，共用時45 d。進行二次永久支護后，經十字位移監(jiān)測，硐室整體穩(wěn)定。

5 結語

對于礦山井巷工程支護，合理的支護參數、支護順序及支護時間對巷道圍巖支護可靠性有著重大影響。特別是深井大斷面硐室支護問題，目前雖然大部分可實現安全施工，有著很多采用錨網索噴聯合支護成功的范例，但也要科學謹慎，確保萬無一失；尤其是高應力、層狀或破碎圍巖中，或設計錨桿一次支護二次砌碹支護的條件下，必須高度注意一次支護的強度及二次支護的及時性問題，在設計及施工中予以明確兩次支護時間間隔或滯后距離。隨著注漿錨桿及注漿錨索的推廣應用，可不斷優(yōu)化支護設計，同時切實加強巷道位移及離層監(jiān)測，保證支護及時可靠。