三軟煤層破碎圍巖巷道鋼－索聯合支護技術研究

劉玉衛

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.鄭州煤炭工業（集團）有限責任公司，河南省鄭州市，450042）

三軟煤層破碎圍巖巷道鋼－索聯合支護技術研究

劉玉衛1，2

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.鄭州煤炭工業（集團）有限責任公司，河南省鄭州市，450042）

鄭州礦區屬于典型的豫西三軟煤層，圍巖松軟破碎，結構失穩破壞難以維護。針對鄭煤集團裴溝礦軌道大巷支護失效、破壞嚴重的情況，根據數值分析結果，采用三軟煤層破碎軟巖巷道圍巖運用U型鋼－錨索聯合支護加固技術，成功解決了巷道破壞嚴重的工程難題。

三軟煤層 巷道支護 U型鋼－錨索 聯合支護

1 概況

鄭煤集團裴溝煤礦地處河南西部，礦區屬于典型的豫西三軟不穩定煤層，該礦多年來一直面臨軟巖巷道支護難題。裴溝礦－300m水平大巷位于三水平31上山和32下山之間，平均埋深500m左右，擔負著礦井東翼運輸、通風及排水任務。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，層位位于二1煤層底板L7－8灰巖中，受斷層構造影響巷道圍巖大部分處于二1煤底板的砂質泥巖中，巷道圍巖松散破碎，強度低，同時，局部受水患影響，泥質軟巖遇水弱化，圍巖承載力嚴重喪失。此外，－300m水平大巷受32051、32071綜放工作面采動影響，巷道圍巖變形、失穩。

裴溝礦－300m水平大巷與上部二1煤層底板層間距21m左右，受上部工作面采動的影響，在開采過程中，對底板巷道圍巖穩定性產生強烈影響。在平面應力狀態下，經計算，初次來壓時采場邊緣底板巖體的最大破壞深度約為25.6m，軌道大巷處于上部工作面開采形成的底板破壞區域范圍之內。

2 數值模擬

本文利用FLAC數值模擬軟件，根據現有地質條件和模擬研究重點，針對－300m水平大巷與上部工作面間的不同相對位置關系，建立FLAC數值模型模擬。模型尺寸為長430m、寬350m。為最大限度地降低邊界效應對模擬結果的影響，模型左右邊界分別設在走向巖層移動角影響范圍之外。模型水平邊界為固定邊界，上邊界為應力邊界，綜合考慮計算機模擬時效，模擬過程中進行適當簡化，在模型的頂部加10MPa的等效載荷模擬覆巖層，巷道位置模型示意圖見圖1。

圖1 巷道位置模型示意圖

該模型主要用于分析32051綜放工作面與水平軌道大巷斜交關系下，巷道受采動的影響，工作面與大巷位置見圖2。根據模型的幾何尺寸劃分，給相應層位巖體賦予煤巖物理力學參數，巖體力學參數見表1。

圖2 工作面與大巷位置

為研究巷道與工作面的不同位置的巷道圍巖應力場和位移場分布狀況，在現有地質條件基礎上，建立FLAC二維數值模擬模型，研究巷道中心線與工作面邊緣不同水平距離下巷道圍巖垂直應力場和位移場分布狀況，見圖3。

圖3 巷道圍巖應力場和位移場分布

表1 巖體力學參數

分析圖3（a）可知，巷道距采空區邊緣0m時，巷道處于低應力區，巷道左幫深部圍巖應力水平明顯較高。巷道所處圍巖整體應力水平較低，受工作面開采形成的整體位移場影響，巷道左幫移近量和底臌量相對較大，巷道左右兩幫變形呈非對稱性。盡管跨采結束后巷道圍巖所處應力水平較低，但在跨采過程中巷道右幫受采動影響程度相對較大。

隨著工作面的推進，當巷道與采空區邊緣水平距離為10m時，巷道完全處于低應力區，見圖3（b），巷道圍巖垂直應力保持在5MPa以下，這對于巷道維護極為有利。但由于工作面開采后，巷道所處位置受底板位移場影響，巷道變形以強烈底臌為主。

當巷道與采空區邊緣水平距離30m時，如圖3（c）所示，由于工作面頂板破斷、垮落和進一步壓實，采空區圍巖應力逐漸恢復至原巖應力水平。由于巷道所處位置應力水平增高，巷道變形量明顯增加，同時受底板整體位移場影響巷道兩幫移近量較大，并伴有一定量的底臌。

3 支護技術研究

3.1 原有支護狀況

裴溝煤礦－300m水平大巷原設計為直墻半圓拱形錨網噴支護方式，錨桿為直徑20mm、長度2.5m的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800 mm，配合使用50mm×50mm的鋼絲網護表，巷道錨桿間未采用整體梁或鋼帶。

但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，都存在支護承載結構性失穩的情況。經調查礦上原有資料，巷道兩幫最大移近量達到920mm，頂底板最大移近量達750mm，其中底臌量達550mm。

3.2 U型鋼－錨索聯合支護

針對裴溝煤礦－300m水平大巷的地質采礦條件和巷道破壞失穩機理的分析，控制此類泥質巖體在構造應力、水體及后期工作面采動綜合影響下巷道產生的強烈變形，一方面要封堵巷道水源，防止泥質巖體遇水后泥化、膨脹；另一方面要求支護具備“高阻可縮”和“結構穩定”的特點，提高支護結構的整體穩定性及其承載能力，控制泥質巖體在高應力作用下產生的強烈剪脹變形，提高巷道淺部圍巖承載結構的穩定性，使得各類支護體共同承載。

巷道成形后，基本支護方式采用具備高阻可縮特性的U型鋼支護，棚距500mm，支架搭接長度為500mm，并采用雙槽夾板上、下限位卡纜及1副普通夾板卡纜，要求卡纜預緊力矩應不低于300N·m，U型鋼支架壁后使用新型雙抗雙扣聯排鋼筋網強力護表，并對巷道表面進行噴漿，要求噴層厚度為50mm±5mm。為提高U型鋼支架的結構穩定性，采用小孔徑高強預應力錨索配合使用，不僅提高U型鋼支架整體結構穩定性及其承載能力，而且能夠有效發揮深部穩定巖體的承載能力。錨索規格選用?15.4mm×5000mm的鋼絞線，巷道幫部錨索間排距為1.2m×1.5m，巷道拱部錨索布置在與起拱線夾角45°、90°和135°，每個錨索孔使用4支K2350樹脂錨固劑，理論錨固長度接近2.5m。錨索具體布置方式如圖4所示。

圖4 U型鋼與錨索聯合支護

4 支護效果

在巷道內設置兩組觀測站，對巷道表面位移量進行觀測，檢驗支護效果，見圖5。

圖5 圍巖表面位移觀測結果

1＃測站巷道頂底板變形1個月內就趨于穩定，頂底板平均變形速率約0.67mm／d，近2個月才趨于穩定，兩幫平均變形速率約1.1mm／d。兩幫和頂底板最大移近量分別為63mm和25mm；2＃測站巷道變形相對較大，頂底板和兩幫變形均在2個月后趨于穩定，兩幫和頂底板最大移近量分別為155mm和53mm。

上述觀測結果表明，采用聯合支護技術后，－300m水平大巷不僅成功通過斷層破碎帶，而且承受了上部32051工作面的強烈采動影響，巷道維護狀況良好。

5 結論

裴溝煤礦－300m水平軌道大巷在開口附近遭遇斷層破碎帶，圍巖極為松散破碎，受水弱化影響巷道變形劇烈。軌道大巷后期承受32051和32071工作面采動影響，為保障水平軌道大巷的支護效果，根據實際地質條件，提出了鋼－索聯合支護加固技術。研究表明：

（1）巷道位于采空區下方，受采動過程中底板位移場分布影響，巷道變形以底臌和兩幫收斂為主。

（2）三軟煤層破碎軟巖巷道中，利用高強預應力錨索再合理配合U型鋼架支護，實現兩種支護的配合作用，提高了支護體的穩定性和承載能力。

（3）采用聯合支護技術后巷道變形得到了明顯的改善，兩幫最大移近量由原來的900mm左右到現在的155mm，頂底板移近量由原來的850mm到現在的50mm左右，支護效果明顯。

［1］ 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學［M］.北京：科學出版社，2002

［2］ 孫曉明，何滿潮.深部開采軟巖巷道聯合支護數值模擬研究［J］.中國礦業大學學報，2005（3）

［3］ 謝文兵，荊升國等.U型鋼支架結構穩定性及其控制技術［J］.巖石力學與工程學報，2010（9）

［4］ 荊升國.高應力破碎軟巖巷道棚–索協同支護圍巖控制機制研究［D］.徐州：中國礦業大學，2009

［5］ 荊升國，謝文兵等.動壓軟巖巷道U型鋼－錨索協同支護技術研究與應用［J］.中國煤炭，2009（1）

［6］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2007

Study on U－type steel and cable combined supporting technology in roadway of three－soft seams surrounded by fractured rocks

Liu Yuwei1，2

（1.School of Energy Engineering，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Zhengzhou Coal Industry（Group）Limited Liability Company，Zhengzhou，Henan 450042，China）

The coal seams in Zhengzhou mining area belongs to a typical three－soft coal seams in western Henan，being characterized of soft and fractured surrounding rocks and unstable structure.Aimed at the case of support failure and severe damage of track roadway in Peigou coalmine，the numerical analysis showed that the technology of U－type steel and cable combined support used in three－soft coal seams could solve the actual problems in Peigou coalmine of Zhengzhou Coal Industry Group.

three－soft seam，roadway support，U－type steel and cable，combined support

TD353

A

劉玉衛（1978－）男，河南平頂山人，工程師，碩士，西安科技大學在讀博士研究生，現就供職于鄭煤集團技術中心，研究方向：礦山壓力控制及軟巖巷道支護。

（責任編輯 張毅玲）