鄭州礦區支護現狀及對策研究①

李紅行 劉志鴻 于軍杰 李更新 趙永太

(鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司，河南 鄭州 450042)

鄭州礦區支護現狀及對策研究①

李紅行②劉志鴻 于軍杰 李更新 趙永太

(鄭州煤炭工業(集團)有限責任公司，河南 鄭州 450042)

本文在對鄭州礦區埋深小于300m、300～500m和500m以上巷道支護現狀分析的基礎上，根據巷道圍巖特性對圍巖的穩定性進行了分類，提出了相應的支護方案，并在鄭煤集團米村礦28變電所進行實踐，結果表明圍巖移動變形得到有效控制。

鄭州礦區;圍巖分類;支護方案

1 概述

鄭州礦區主要煤系地層為二疊系山西組，其中主要可采煤層為二1煤，該煤層厚度在1.19～26.0 m之間，煤厚變化較大，變異系數為70.1%，煤質松軟，普氏系數在0.3～0.5之間;煤層直接頂板一般為泥巖和砂質泥巖，底板同樣普遍為泥巖、砂質泥巖，屬于典型的“三軟”不穩定煤層。

“三軟”不穩定煤層支護始終是煤炭開采的一個技術難題，隨著礦井開采深度不斷增大，如何更好地支護是“三軟”煤層開采亟待解決的一個問題。

2 鄭州礦區支護現狀

2.1 埋深小于300 m的巷道支護現狀

鄭州礦區埋深小于300 m的巷道內，大量采用U型鋼棚進行支護。在受工作面采動影響或地質構造復雜的巷道中U型鋼棚尤為廣泛，隨著支護難度加大，U型鋼型號也由最初的25U普遍升級到29U，甚至在部分采準巷道使用36U型鋼棚進行支護。

2.2 埋深在300 m～500 m范圍之間的巷道

支護現狀

隨著巷道埋深加大，大多數礦井采用29U型鋼棚和錨網噴支護相結合的支護方式，在復雜地質構造和工作面采動影響情況下，巷道礦壓顯現特征以頂壓和側壓為主，支架結構性失穩破壞特征較為明顯。而當巷道位于巖體強度相對較高的灰巖及其中下部時，錨網噴支護技術得到大面積應用。

2.3 埋深大于500 m的巷道支護現狀

目前鄭州礦區白坪煤礦、大平煤礦主要開拓、準備巷道埋深已超過500 m。巷道所處區域無較大的地質構造，巷道圍巖強度較高，巷道支護方式多以錨網噴為主，在未經受工作面動壓影響情況下，巷道維護狀況良好;當巷道受到工作面采動影響時，就難以維持巷道現狀。

3 現有支護存在的問題

3.1 支護方式難以適應圍巖特征

目前鄭州礦區所轄礦井支護問題較為突出的巷道主要包含以下兩種類型:第一類為不受地質構造和工作面采動影響，但埋深大于300 m，圍巖巖性以泥巖、砂質泥巖為主的巷道;第二類為受復雜地質構造或工作面采動影響的巷道。當前這兩類巷道與其它巷道從支護設計上并沒有區別對待，導致大量支護設計難以適應和控制這兩類軟巖巷道的強烈變形。

3.2 支護失效問題難以解決

無論是以錨網支護為代表的主動支護方式還是以棚式支架為代表的被動支護形式，都存在由于支護承載結構性失穩、破壞導致的支護失效問題［1-2］。目前支護過程中通常在巷道強烈變形后才在變形強烈部位采取錨索等局部補強措施試圖控制圍巖變形，此時巷道表面的支護體已處于塑性屈服狀態，巷道淺部圍巖也大量碎脹離層，造成支護體大量屈服、破壞［3］。有些巷道支護時試圖采取措施提高支護結構的穩定性，但由于支護體之間難以協同作用，未能真正起到結構補償作用，最終導致支護失效。

4 鄭州礦區巷道圍巖賦存特性分析

4.1 鄭州礦區軟巖賦存及變形機理分析

鄭州礦區大量的開拓、準備巷道設計層位位于二1煤層底板的L7～L8灰巖之間的巖層中，巷道圍巖巖性以灰巖、砂質泥巖和泥巖為主，此類巖體的巖塊強度不低，但巖體完整性較差，使得工程巖體強度偏低。當巷道埋深小于300 m且不受工作面采動影響時，此類泥質巖體巷道維護狀況良好，但隨著埋深增大和巷道圍巖所處應力水平增高，巷道維護狀況急劇惡化，尤其是受工作面采動影響巷道呈現高應力作用下軟弱巖體的變形特征。相同巖體在不同應力狀態下，呈現截然相反的力學形態，近年來鄭州礦區礦井開采深度逐年增加，大量在淺部開采中屬于硬巖的巖層，在深部開采中表現出明顯的軟巖特性。

4.2 鄭州礦區構造賦存分析

鄭州礦區構造基本形態表現為一寬緩的西窄東寬的較為完整的復式向斜構造，向斜軸近東西，西端抬起，東端傾沒。礦區斷裂構造極為發育，且以高角度正斷層為主。這使得礦井開拓掘進過程中大量面臨構造破碎帶，不僅巷道掘進期間頂板維護極為困難，而且在高構造應力作用下巷道變形往往極為強烈［3］。此外，鄭州礦區地下巖層水系極為豐富，一旦斷層構造與含水層導通，不僅增加礦井排水費用，而且泥質巖體在水體作用下大量崩解、泥化，巷道維護極為困難。因此，如何確定斷層破碎帶巷道的合理支護方式同樣重要。

5 鄭州礦區巷道圍巖穩定性分級及支護對策

5.1 鄭州礦區巷道圍巖穩定性分級

目前，鄭州礦區開拓、準備巷道主要布置在二1煤層底板的巖石中，鄭州礦區巷道圍巖穩定性分為5個類別:非常穩定(Ⅰ類)、穩定(Ⅱ類)、中等穩定(Ⅲ類)、不穩定(Ⅳ類)、極不穩定(Ⅴ類)。表1為根據分類結果確定的各指標的聚類中心值，軟巖巷道圍巖穩定性分類作為開拓、準備巷道圍巖穩定性分類的一部分，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖屬于軟巖的范疇。

表1 各類圍巖聚類中心值

5.2 鄭州礦區巷道支護措施

結合鄭州礦區巷道工程實踐和軟巖巷道圍巖分類結果，軟巖巷道可采取以下措施進行支護:

1)針對I、II、III類圍巖建議采用高強預應力錨網支護，IV類圍巖優先選用高強預應力錨網支護，并視圍巖狀況決定是否進行結構補償;

2)對極為破碎頂板隨掘隨冒的IV和V類圍巖采用U型鋼棚支護，并應對支護形成的承載結構進行結構補償。

6 米村礦28變電所支護應用

6.1 工程背景

米村礦28變電所位于28采區里段，進風安裝通道始于28軌道大巷，并經回風聯巷與28皮帶大巷貫通，總工程量約為80 m。該變電所原支護形式為錨噴支護，巷道凈斷面尺寸為4m×3.2m，因受-150水平28采區28061，28031，28041等工作面采動影響，28變電所噴層大面積開裂、脫落，圍巖變形劇烈，底臌嚴重，硐室斷面難以滿足該機電硐室安全運行的需要。

6.2 支護技術方案

28變電所圍巖變形主要是由于工作面開采形成的高支承壓力造成的，控制此類高應力作用下硐室圍巖的強烈變形，不僅要求支護體應具備較高的支護阻力，而且要求具備穩定特性。從保證變電所的長期支護效果出發，提出先用500 mm棚距36U型鋼架棚后，再進行結構補償。該方案的關鍵技術如下:

1)采用錨桿注漿技術加固圍巖

針對米村礦28變電所巷道圍巖裂隙普遍發育的實際情況，采用錨桿注漿加固圍巖，用12.7×2400 mm中空螺紋鋼管作注漿錨桿，頂幫注漿錨桿的間排距為:1500×1500 mm，底板注漿錨桿間排距為:1300×2000 mm，一排布置3根，靠幫的2根向外扎20°，如圖6-1所示。采用錨桿注漿后，將裂隙普遍發育的圍巖膠結在一起，使破碎的巖體形成一個整體，在錨桿的作用下與U型鋼支架共同承載，從而實現加固的作用。

2)采用耦合裝置進行結構補償，保證支架結構的穩定性

深部巷道圍巖變形破壞主要原因是由于支護體與圍巖之間不耦合而告成的，要實現深部巷道圍巖的成功支護，必須消除支護體與圍巖之間的不耦合現象［4］。采用錨索進行結構補償，以提高支架本身的穩定性，控制幫的變形。錨索型號為φ15.24×5000 mm，材質為1860鋼絞線，錨索間排距1200×1500 mm，錨索垂直于巷道表面布置，如圖6-1所示。通過錨索耦合裝置，將U型鋼支架與錨索耦合為一體，消除了支護體與圍巖之間的不耦合現象，改善了支架結構的穩定性。

3)高強控底措施控制底板的強烈底臌

根據底板松散破碎底臌量大的實際情況，在底板注漿錨桿的基礎上，再用金屬網+鋼筋梯子梁+錨索聯合支護控制巷道的強烈底臌，錨索與注漿錨桿按排交替布置，采用高強度鋼筋網護表，然后在鋼筋網表面鋪設鋼筋梯子梁，最后用錨索和錨桿托盤將鋼筋梯子梁壓住，使一排錨索(錨桿)均勻承載受力。錨索型號Φ17.8×5000 mm材質為1860鋼絞線，錨索間排距為:1300×2000mm，一排布置3根，靠幫的2根向外扎20°，如圖1所示。

圖1 巷道結構補償耦合加固技術方案圖

6.3 實踐效果

在米村礦28變電所采用結構補償耦合加固技術后，對巷道圍巖穩定性進行了100天的觀測，如圖2所示為28變電所圍巖穩定性監測結果。采用新型支護技術后，巷道的頂板下沉量在45天左右、兩幫位移量在75天左右，基本處于穩定，圍巖移動變形總量不大，圍巖移動變形得到有效控制［5］。由于底板采取控底措施，底臌量很小，保證了變電所長期安全使用。兩幫位移量相對較大一些，但變形很快趨于穩定。造成兩幫位移量較大的主要原因是由于該位置受周邊成組的小構造影響，應力集中程度較高，圍巖極其破碎，但即使這樣，巷道圍巖變形在75天也后趨于穩定，巷道支護效果良好。

圖2 變電所圍巖穩定性監測結果

7 結語

1)結構補償耦合加固技術在鄭煤集團米村礦實施后，圍巖移動變形得到有效控制，達到了預期的支護效果，保證了礦井安全生產。

2)結構補償耦合加固技術在鄭州礦區的應用，大大減少了巷道擴修工程量，使整體巷道擴修率由原來的51.2%下降到37.3%，隨著該技術在新掘巷道中的應用，巷道擴修率將會進一步下降。

3)本支護技術打破了傳統支護的單一支護方式，開辟了鄭州礦區巷道支護的新途徑，為類似礦區的巷道支護提供了新的思路。

［1］ 蔣金泉，馮增強，韓繼勝.跨采巷道圍巖結構穩定性分類與支護參數決策［J］.巖石力學與工程學報，1999，18(1):81-85

［2］ 張成定，吳擁政，褚曉偉.應力異常區軟弱頂板巷道全錨索支護技術［J］.煤炭科學技術，2012，(6):8-11

［3］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994:113-115

［4］ 楊德傳，高明中，盛武，韓磊.深部煤巷錨網索耦合支護應用研究，煤炭工程，2011，(2):64-67

［5］ 劉傳孝等.準備巷道圍巖結構穩定性分析［J］，礦山壓力與頂板管理，1997，(3):101-102

A Study on the Supporting Situations and Solutions inZhengzhou Mining Area

LI Honghang，LIU Zhihong，YU Junjie，LI Gengxin，ZHAO Yongtai

(Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.，LTD，Zhengzhou Henan 450042)

Based on the analysis of the current supporting situation of roadways whose burial depth are less than 300 meters，300 to 500 meters and more than 500 meters in Zhengzhou Mining Area.This study classifies the stability of surrounding rock according to their features，and puts forward relevant supporting methods，which had been put into practice in 28 power substations in the Micun Coal Mine，Zhengzhou Coal Industry Co.，Ltd.The results showed that the deformation of surrounding rock movement has been controlled effectively.

Zhengzhou mining area，wall rock classification，supporting solutions

TD353+.6

A

1672-7169(2012)03-0047-03

2012-05-21

李紅行(1979-)男，河南靈寶人，碩士研究生，鄭煤集團生產技術部工程師。