郑州矿区支护现状及对策研究①

李红行 刘志鸿 于军杰 李更新 赵永太

(郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南 郑州 450042)

郑州矿区支护现状及对策研究①

李红行②刘志鸿 于军杰 李更新 赵永太

(郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南 郑州 450042)

本文在对郑州矿区埋深小于300m、300～500m和500m以上巷道支护现状分析的基础上，根据巷道围岩特性对围岩的稳定性进行了分类，提出了相应的支护方案，并在郑煤集团米村矿28变电所进行实践，结果表明围岩移动变形得到有效控制。

郑州矿区;围岩分类;支护方案

1 概述

郑州矿区主要煤系地层为二叠系山西组，其中主要可采煤层为二1煤，该煤层厚度在1.19～26.0 m之间，煤厚变化较大，变异系数为70.1%，煤质松软，普氏系数在0.3～0.5之间;煤层直接顶板一般为泥岩和砂质泥岩，底板同样普遍为泥岩、砂质泥岩，属于典型的“三软”不稳定煤层。

“三软”不稳定煤层支护始终是煤炭开采的一个技术难题，随着矿井开采深度不断增大，如何更好地支护是“三软”煤层开采亟待解决的一个问题。

2 郑州矿区支护现状

2.1 埋深小于300 m的巷道支护现状

郑州矿区埋深小于300 m的巷道内，大量采用U型钢棚进行支护。在受工作面采动影响或地质构造复杂的巷道中U型钢棚尤为广泛，随着支护难度加大，U型钢型号也由最初的25U普遍升级到29U，甚至在部分采准巷道使用36U型钢棚进行支护。

2.2 埋深在300 m～500 m范围之间的巷道

支护现状

随着巷道埋深加大，大多数矿井采用29U型钢棚和锚网喷支护相结合的支护方式，在复杂地质构造和工作面采动影响情况下，巷道矿压显现特征以顶压和侧压为主，支架结构性失稳破坏特征较为明显。而当巷道位于岩体强度相对较高的灰岩及其中下部时，锚网喷支护技术得到大面积应用。

2.3 埋深大于500 m的巷道支护现状

目前郑州矿区白坪煤矿、大平煤矿主要开拓、准备巷道埋深已超过500 m。巷道所处区域无较大的地质构造，巷道围岩强度较高，巷道支护方式多以锚网喷为主，在未经受工作面动压影响情况下，巷道维护状况良好;当巷道受到工作面采动影响时，就难以维持巷道现状。

3 现有支护存在的问题

3.1 支护方式难以适应围岩特征

目前郑州矿区所辖矿井支护问题较为突出的巷道主要包含以下两种类型:第一类为不受地质构造和工作面采动影响，但埋深大于300 m，围岩岩性以泥岩、砂质泥岩为主的巷道;第二类为受复杂地质构造或工作面采动影响的巷道。当前这两类巷道与其它巷道从支护设计上并没有区别对待，导致大量支护设计难以适应和控制这两类软岩巷道的强烈变形。

3.2 支护失效问题难以解决

无论是以锚网支护为代表的主动支护方式还是以棚式支架为代表的被动支护形式，都存在由于支护承载结构性失稳、破坏导致的支护失效问题［1-2］。目前支护过程中通常在巷道强烈变形后才在变形强烈部位采取锚索等局部补强措施试图控制围岩变形，此时巷道表面的支护体已处于塑性屈服状态，巷道浅部围岩也大量碎胀离层，造成支护体大量屈服、破坏［3］。有些巷道支护时试图采取措施提高支护结构的稳定性，但由于支护体之间难以协同作用，未能真正起到结构补偿作用，最终导致支护失效。

4 郑州矿区巷道围岩赋存特性分析

4.1 郑州矿区软岩赋存及变形机理分析

郑州矿区大量的开拓、准备巷道设计层位位于二1煤层底板的L7～L8灰岩之间的岩层中，巷道围岩岩性以灰岩、砂质泥岩和泥岩为主，此类岩体的岩块强度不低，但岩体完整性较差，使得工程岩体强度偏低。当巷道埋深小于300 m且不受工作面采动影响时，此类泥质岩体巷道维护状况良好，但随着埋深增大和巷道围岩所处应力水平增高，巷道维护状况急剧恶化，尤其是受工作面采动影响巷道呈现高应力作用下软弱岩体的变形特征。相同岩体在不同应力状态下，呈现截然相反的力学形态，近年来郑州矿区矿井开采深度逐年增加，大量在浅部开采中属于硬岩的岩层，在深部开采中表现出明显的软岩特性。

4.2 郑州矿区构造赋存分析

郑州矿区构造基本形态表现为一宽缓的西窄东宽的较为完整的复式向斜构造，向斜轴近东西，西端抬起，东端倾没。矿区断裂构造极为发育，且以高角度正断层为主。这使得矿井开拓掘进过程中大量面临构造破碎带，不仅巷道掘进期间顶板维护极为困难，而且在高构造应力作用下巷道变形往往极为强烈［3］。此外，郑州矿区地下岩层水系极为丰富，一旦断层构造与含水层导通，不仅增加矿井排水费用，而且泥质岩体在水体作用下大量崩解、泥化，巷道维护极为困难。因此，如何确定断层破碎带巷道的合理支护方式同样重要。

5 郑州矿区巷道围岩稳定性分级及支护对策

5.1 郑州矿区巷道围岩稳定性分级

目前，郑州矿区开拓、准备巷道主要布置在二1煤层底板的岩石中，郑州矿区巷道围岩稳定性分为5个类别:非常稳定(Ⅰ类)、稳定(Ⅱ类)、中等稳定(Ⅲ类)、不稳定(Ⅳ类)、极不稳定(Ⅴ类)。表1为根据分类结果确定的各指标的聚类中心值，软岩巷道围岩稳定性分类作为开拓、准备巷道围岩稳定性分类的一部分，Ⅳ类、Ⅴ类围岩属于软岩的范畴。

表1 各类围岩聚类中心值

5.2 郑州矿区巷道支护措施

结合郑州矿区巷道工程实践和软岩巷道围岩分类结果，软岩巷道可采取以下措施进行支护:

1)针对I、II、III类围岩建议采用高强预应力锚网支护，IV类围岩优先选用高强预应力锚网支护，并视围岩状况决定是否进行结构补偿;

2)对极为破碎顶板随掘随冒的IV和V类围岩采用U型钢棚支护，并应对支护形成的承载结构进行结构补偿。

6 米村矿28变电所支护应用

6.1 工程背景

米村矿28变电所位于28采区里段，进风安装通道始于28轨道大巷，并经回风联巷与28皮带大巷贯通，总工程量约为80 m。该变电所原支护形式为锚喷支护，巷道净断面尺寸为4m×3.2m，因受-150水平28采区28061，28031，28041等工作面采动影响，28变电所喷层大面积开裂、脱落，围岩变形剧烈，底臌严重，硐室断面难以满足该机电硐室安全运行的需要。

6.2 支护技术方案

28变电所围岩变形主要是由于工作面开采形成的高支承压力造成的，控制此类高应力作用下硐室围岩的强烈变形，不仅要求支护体应具备较高的支护阻力，而且要求具备稳定特性。从保证变电所的长期支护效果出发，提出先用500 mm棚距36U型钢架棚后，再进行结构补偿。该方案的关键技术如下:

1)采用锚杆注浆技术加固围岩

针对米村矿28变电所巷道围岩裂隙普遍发育的实际情况，采用锚杆注浆加固围岩，用12.7×2400 mm中空螺纹钢管作注浆锚杆，顶帮注浆锚杆的间排距为:1500×1500 mm，底板注浆锚杆间排距为:1300×2000 mm，一排布置3根，靠帮的2根向外扎20°，如图6-1所示。采用锚杆注浆后，将裂隙普遍发育的围岩胶结在一起，使破碎的岩体形成一个整体，在锚杆的作用下与U型钢支架共同承载，从而实现加固的作用。

2)采用耦合装置进行结构补偿，保证支架结构的稳定性

深部巷道围岩变形破坏主要原因是由于支护体与围岩之间不耦合而告成的，要实现深部巷道围岩的成功支护，必须消除支护体与围岩之间的不耦合现象［4］。采用锚索进行结构补偿，以提高支架本身的稳定性，控制帮的变形。锚索型号为φ15.24×5000 mm，材质为1860钢绞线，锚索间排距1200×1500 mm，锚索垂直于巷道表面布置，如图6-1所示。通过锚索耦合装置，将U型钢支架与锚索耦合为一体，消除了支护体与围岩之间的不耦合现象，改善了支架结构的稳定性。

3)高强控底措施控制底板的强烈底臌

根据底板松散破碎底臌量大的实际情况，在底板注浆锚杆的基础上，再用金属网+钢筋梯子梁+锚索联合支护控制巷道的强烈底臌，锚索与注浆锚杆按排交替布置，采用高强度钢筋网护表，然后在钢筋网表面铺设钢筋梯子梁，最后用锚索和锚杆托盘将钢筋梯子梁压住，使一排锚索(锚杆)均匀承载受力。锚索型号Φ17.8×5000 mm材质为1860钢绞线，锚索间排距为:1300×2000mm，一排布置3根，靠帮的2根向外扎20°，如图1所示。

图1 巷道结构补偿耦合加固技术方案图

6.3 实践效果

在米村矿28变电所采用结构补偿耦合加固技术后，对巷道围岩稳定性进行了100天的观测，如图2所示为28变电所围岩稳定性监测结果。采用新型支护技术后，巷道的顶板下沉量在45天左右、两帮位移量在75天左右，基本处于稳定，围岩移动变形总量不大，围岩移动变形得到有效控制［5］。由于底板采取控底措施，底臌量很小，保证了变电所长期安全使用。两帮位移量相对较大一些，但变形很快趋于稳定。造成两帮位移量较大的主要原因是由于该位置受周边成组的小构造影响，应力集中程度较高，围岩极其破碎，但即使这样，巷道围岩变形在75天也后趋于稳定，巷道支护效果良好。

图2 变电所围岩稳定性监测结果

7 结语

1)结构补偿耦合加固技术在郑煤集团米村矿实施后，围岩移动变形得到有效控制，达到了预期的支护效果，保证了矿井安全生产。

2)结构补偿耦合加固技术在郑州矿区的应用，大大减少了巷道扩修工程量，使整体巷道扩修率由原来的51.2%下降到37.3%，随着该技术在新掘巷道中的应用，巷道扩修率将会进一步下降。

3)本支护技术打破了传统支护的单一支护方式，开辟了郑州矿区巷道支护的新途径，为类似矿区的巷道支护提供了新的思路。

［1］ 蒋金泉，冯增强，韩继胜.跨采巷道围岩结构稳定性分类与支护参数决策［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(1):81-85

［2］ 张成定，吴拥政，褚晓伟.应力异常区软弱顶板巷道全锚索支护技术［J］.煤炭科学技术，2012，(6):8-11

［3］ 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994:113-115

［4］ 杨德传，高明中，盛武，韩磊.深部煤巷锚网索耦合支护应用研究，煤炭工程，2011，(2):64-67

［5］ 刘传孝等.准备巷道围岩结构稳定性分析［J］，矿山压力与顶板管理，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

李红行(1979-)男，河南灵宝人，硕士研究生，郑煤集团生产技术部工程师。