２０１２年第３期 中州煤炭 总第１９５期 深井 高应 力复合顶板巷道支护技术应用研究 朱 磊 （平煤股份十矿，河南平顶山４６７０００） 摘要：平煤股份十矿己Ｉｒ２４０８０运输巷埋深大，地应力高，顶板条件复杂，传统支护技术很难满足要求，并且 修复率偏高。根据该区域特殊的地质条件，基于围岩破坏机理，优化设计了支护工艺，验证了在深井高应力 复合顶板条件下“锚索＋锚杆＋钢带＋金属网”联合支护技术的可靠性与经济性。 关键词：深井高应力；复合顶板；矿压监测 中图分类号：ＴＤ３５３．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—０５０６（２０１２）０３—００１０—０２ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｒｏａｄｗａｙ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｒｏｏｆ ｉｎ Ｄｅｅｐ Ｓｈａｆｔ Ｚｈｕ Ｌｅｉ （Ｎｏ．１０ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｔｉａｎ ａｎ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｕｒｉｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ＶＩ ｌ５—２４０８０ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｄｅｅｐ ｉｎ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｎｏ．１０ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｈｉｇｈ，ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇ— ｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｏｆ ａｒｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｉｉｃｕｌｆｔ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｐａｉｒ ｒａｔｅ ｏｆ ｒｏａｄ— ｗａｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｒｅａ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｎｅｗ ｔｅｃｈ— ｎｉｃｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｍｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃｓ．Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｂｏｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｏｔｃｒｅｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｒｏｏｆ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ Ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｒｏｏｆ；ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 目前，平煤股份十矿已进入深部开采，采深达 ９００ ｍ，矿压显现严重。在围岩以泥岩、砂岩为主的 柱状 厚度，ｍ 岩性描述及岩状描述 ｌ４．Ｏ 灰白色中粒石英砂岩 大埋深高应力复合顶板地质条件下，巷道原有的锚 ｌ１．Ｏ一１８．Ｏ 泥岩及砂质泥岩、炭质泥岩 杆支护方式已经出现了诸多不足，如预紧力较小、锚 杆自身强度低、巷道变形大、顶板易离层、返修率高、 经济成本增加等问题。因此，如何提高深井高应力 复合顶扳支护技术水平成为工程中的难点。 ・…． ／ １．６－２．３ Ｏ一７．２ ／ 己ｌ５煤 东部己１５，己１６合层， 中西部夹矸逐渐变厚 己１６煤 １．２５－１．４３ ｌ工程地质概况 平煤股份十矿己 ２４０８０运输巷位于十矿己四 ・＼ ｌ＿ｌ一１．５ １ 砂质泥岩 己１７煤 ．２．２５～２．９０ 采区西翼第３阶段，西至２６勘探线，北部未开采，南 部为己 ２４０６０采面，东为己 ２４０９０采空区。运输 巷设计长１ ９５２ ｉｎ，埋深９００ ｉｎ左右。煤层平均厚 ３．３ ＩＴＩ。直接顶为砂质泥岩及细粒砂岩，砂质泥岩厚 三 ＞２０ 砂质泥岩及灰岩 图１综合柱状示意 ０．６ １３１左右，细粒砂岩平均厚１２ ｉｎ；基本顶为砂岩， 平均厚６．５ ＩＸＩ；直接底为泥岩，基本底为己 。 煤层。 其综合柱状如图１所示。 ２ 复合顶板特性及支护注意事项 复合顶板其本质就是离层型顶板，其上覆于煤 收稿日期：２０１１—１１—１７ 层，由多层厚度较小，层理、节理和裂隙发育强度低 的软弱煤岩层相间构成，各岩层之间黏结力较弱，甚 至无黏结力，与上部岩层胶结性差，属于直接顶。经 作者简介：朱磊（１９８２一），男，河南平顶山人，助理工程师，２００５ 年毕业于河南理工大学，主要从事技术管理工作。 ・１０・ ２０１２年第３期 朱磊：深井高应力复合顶板巷道支护技术应用研究 总第１９５期 采动影响，复合顶板因岩石强度低、分层薄，其挠度 比上部岩层大而向下弯曲，且上、下岩层胶结性差， 附着力低，容易离层，在巷道易发生局部冒顶事故。 支护中应注意事项¨ ： （１）复合顶板支护要抓住最佳支护时机。在围 岩变形达到最大塑性承载能力时进行支护，当巨大 的膨胀变形能释放出来后，变形转化的工程力和围 岩自撑力最大时，工程支护力最小。过早支护导致 锚杆承受围岩膨胀变形压力过大而拉坏；支护太晚， 围岩变形加大而出现松动破坏，导致无法进行支护。 （２）为防止离层，应尽可能提高锚杆和锚索支 护的组合性等。由各岩层组合形成组合梁，一起发 生弯曲变形，并借助锚杆提供的层间抗剪力、抗拉力 以及增加的层间摩擦力，控制岩层间的滑动。 （３）高预应力。支护中通过托板、钢带、金属网 等扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度 与完整性。这也是主动支护的关键。 ３支护方案设计 己 －２４０８０运输巷断面为４．０ ｍ×３．０ ｍ（中宽 ×中高），有效断面１２ ｍ 。采用“锚索＋锚杆＋钢 带＋金属网”联合支护。 顶板采用（２ｊ２２ ｍｍ×２ ２００ ｍｍ的左旋无纵筋超 强锚杆，配合４ ０００ ｍｍ六孔Ｍ钢带梁、金属网、锚 索联合支护，锚杆间距为７６０ ｍｍ，排距为８００ ｍｍ， 采用加长锚固方式，每根锚杆采用２卷Ｚ２８５００型中 速树脂药卷，顶部锚杆扭矩不低于１５０ Ｎ・ｍ。顶网 为２ ２００ ｍｍ×１ ０００ ｍｍ金属网，锚索采用 ２０ ｍｍ ×７ ３００ ｍｍ的钢绞线，按“五花”布置，锚索预紧力 在８０ ｋＮ以上，外露长２００～３００ ｍｍ。 巷帮采用等强锚杆加网配合锚梁支护，锚杆为 （２ｊ２０ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ的等强树脂锚杆，锚杆锚固力 ＞２００ ｋＮ，锚杆扭矩＞２００ Ｎ・ｍ，上帮使用５个钢板 护板，下帮使用４个钢板护板，间排距均为８００ ｍｍ， 采用端头锚固方式，每根锚杆采用Ｚ２８５００型中速树 脂药卷２卷，上帮网规格３ ６００ ｍｍ×１ ０００ ｍｍ，下 帮网规格２ ６００ ｍｍ×１ ０００ ｍｍ（图２）。 ４矿压监测与支护效果 在己 ２４０８０运输巷采用上述联合支护方式共 施工巷道１ ６５０ ｍ，巷道变形观测结果如图３所示。 矿压观测结果表明：掘进期间成巷后的前６０ ｄ 水平变形量较大，最大为１５ ｍｍ／ｄ；６０ ｄ后，变形速 图２支护断面示意 度趋于稳定，为４—１０ ｍｍ／ｄ；总水平变形量为１００ —２５０ ｍｍ。巷道成型３０ ｄ后，巷道垂直变形量为 １４８ ｍｍ，６０ ｄ后为２６９ ｍｍ，此后的４个月内巷道垂 直变形量为８５ ｍｍ，施工６个月后巷道底鼓量为２００ —４００ ｍｍ，均属于正常变形量，实现了一次成巷。 而类似巷道采用其他方式支护，在施工３个月后，顶 板下沉量２００～３００ ｍｍ，水平位移量５００—８００ ｍｍ，伽珊ｌ善瑚抛 啪 ０ 目ｕ／栅 底鼓量为４００～７００ ｍｍ，严重影响安全生产，必须架 棚进行二次支护。 ｏ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １４０ １６ｏ１８ｏ 观测时间，ｄ 图３巷道变形观测数据 总之，采用“锚索＋锚杆＋钢带＋金属网”联合 支护方式使巷道围岩快速稳定，合理发挥了围岩自 承能力，围岩变形得到有效控制，满足生产要求。 ５ 结语 （１）将该支护方式与原金属拱形棚支护进行对 比：根据目前材料价格，在进度基本相同的情况下， 材料投入平均比原有支护方式多投入１ １８．５元／ｍ， 但该支护方式真正实现了一次支护，节约总资金 １１８．７４万元。而且大大减少了巷道后期维护量和 人员投入，减轻了工人的劳动强度。 （２）随着矿井进入深部开采，高应力复合顶板 成为支护难点。根据实际地质条件与工程特性有针 对性地制订方案，经过矿压监测，效果明显，满足生 产要求。对保证巷道安全、加快采煤工作面的推进、 提高企业经济效益具有重要作用。（下转第２４页） ・１ １・ ２０１２年第３期 中州煤炭 总第１９５期 育，地下水活动强烈，形成了岩溶地下水的强径流带 和强富水区。在复背斜两翼的次级小褶皱地段与 ＮＮＥ向断层较密集处，也构成岩溶地下水的强径流 的补给。煤田北部外围岩溶水越过太平集、八里庄 断层的侧向补给，与煤田东部、东南部安徽省内岩溶 水的侧向补给等构成另一重要补给源。近年来，随 着矿区煤炭资源的强力开发，太灰岩溶水大量排放 导致地下水位剧烈下降，水位降幅超过３３０ ｍ。矿 区的陈四楼、车集、葛店，淮北的刘桥一矿、二矿等各 煤矿的排水量５００～１ ５００ ｍ ／ｈ，形成多个降落漏 斗，太灰地下水的径流总趋势为以永城背斜轴为轴 心向西、东两翼径流，到各个降落漏斗附近又从四面 向漏斗中心汇聚。构造裂隙发育带多是岩溶发育 带，构成地下水径流的强径流带，奥灰水与太灰水的 径流总趋势相一致，而奥灰水位比太灰水位高６０— ８０ ｍ，在断层对口部位构造裂隙发育地段，前者对后 带强富水区。煤田局部东西向构造带多形成岩溶地 下水的较强径流带及富水区，其他地段岩溶地下水 的径流条件中等或中等偏弱，其富水性亦然。 ５．３ 区域地下水补给、径流与排泄 （１）新生界孔隙含水层上部潜水含水组。该含 水组通过表土下渗直接接受大气降水补给，汛期也 接受地表水补给，干旱季节时则主要接受农灌的补 给；其中下部各承压含水组则由其上部含水组的层 层下渗接受补给，不过补给量相当微弱；此外各含水 组也均会接受自上游径流而来的部分补给。孔隙水 径流受地形制约，总趋势为自西北向东南方向径流， 径流途径短，其径流强度自上而下逐渐减弱，最下部 者常会造成对口补给或向上顶托越流补给作用。矿 井排水与工农业取水（主要为冶炼、电厂用水）是岩 溶水的主要排泄途径，尚有部分岩溶水径流排出界 外。 新近系含水组则基本处于滞流状态。地下水的排泄 主要靠生活和农灌取水，干旱季节的蒸发和向地表 水排泄也是上层潜水的主要排泄途径。 （２）二叠系砂岩裂隙含水组。①该含水组隐伏 露头区的基岩风化裂隙带构成统一含水层，在新生 界底部隔水层不发育或缺失处，新生界孑Ｌ隙水会补 给风化裂隙带，再由风化裂隙含水层调节转补给各 ６ 结论 永夏煤田处于东南西三面阻水、北面补水的半 封闭水文地质单元内，总体水文地质条件较简单，区 内形成以陈四楼和城郊矿为中心、车集矿为中心、葛 店矿为中心及葛店和刘桥一矿、二矿为中心的多个 降落漏斗，地下水的径流总趋势为以永城背斜轴为 轴心向西、东两翼径流，到各个降落漏斗附近又从四 面向漏斗中心汇聚。 参考文献： ［１］ 张西池，郭新体．河南省永城市葛店矿区水文地质概述［Ｊ］．西 部探矿工程，２００３（１１）：８１－８２． 砂岩裂隙含水组；②断层水及侧向径流也会有少量 地下水补给各砂岩裂隙含水组。地下水径流除Ｋ 、 Ｋ 砂岩径流条件稍好外，其他各含水组的径流条件 均相当微弱，且部分处于滞流状态。地下水的强径 流带一般都位于构造裂隙带处，沿走向径流微弱，沿 倾向基本处于滞流状态。１９７３年以前，各含水组地 下水基本上都属于微弱的自然径流排泄状况，地下 水位标高约＋２８ ｍ；其后煤矿建设接连不断，至 １９７８年水位标高约＋１４ ｍ，地下水位下降约１４ ｍ； １９８０年后煤炭开发速度进一步加快，至２０１１年，井 ［２］ 刘蕴祥．永城矿区煤层底板裂隙灰岩突水特征及防治技术 ［Ｊ］．中国煤炭，２００４，３０（１２）：３７－３９． ［３］ 张书轩．认识新庄矿井地下水特征做好井筒建设期的防水工 作［Ｊ］．河南煤炭，１９８５（１）：２４－３０． ［４］ 郑连科．永城矿井涌水水资源的综合评价及利用［Ｊ］．煤炭科 学技术，２００７，３５（６）：２７－３Ｏ． 筒和巷道采面排水量猛增，降幅超过２４０ ｍ。 （３）灰岩岩溶裂隙含水层（组）。永夏煤田中部 的永城背斜轴部及两侧，太灰、奥灰和寒武系灰岩岩 溶含水层大面积隐伏出露区接受上覆新生界孔隙水 （责任编辑：刘欢欢） （上接第ｌ１页） 参考文献： ［Ｉ］ 侯朝炯、郭励生，勾攀峰，等．煤巷锚杆支护［Ｍ］．徐州：中国矿 业大学出版社，１９９９． ・［２］ 马念杰，侯朝炯．采准巷道矿压理论及应用［Ｍ］．北京：煤炭工 业出版社，１９９５． ［３］ 杨张杰．复合顶板锚梁网支护沿空掘巷围岩变形特征及其控 制技术［Ｊ］．煤炭工程，２００９（９）：３４－３６． （责任编辑：秦爱新） ２４・