復(fù)雜地質(zhì)條件下曲腿三心拱U型鋼在掘進(jìn)巷道中的推廣應(yīng)用

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紅嶺礦15101采煤工作面上巷沿與15081采煤工作面下巷平行的5～8m的小煤柱布置，留設(shè)小煤柱布置工作面上巷，主要是為了隔離15081采煤工作面的采空區(qū)涌水。同時(shí)導(dǎo)致巷道應(yīng)力集中，造成巷道壓力增大。為保證巷道斷面滿(mǎn)足采煤工作面回采期間的生產(chǎn)需要，在掘進(jìn)過(guò)程中采用直腿半圓拱U型鋼可縮性支架、叉腿棚半圓拱U型鋼可縮性支架，采用以上支架架型支護(hù)巷道一直沒(méi)有解決巷道側(cè)壓大、巷道寬度收縮變形量大的難題。巷道維修量大，掘進(jìn)速度減慢，巷道斷面保持安全寬度的時(shí)間較短，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。針對(duì)15101采煤工作面上巷掘進(jìn)支護(hù)中存在的問(wèn)題。紅嶺公司生產(chǎn)技術(shù)部門(mén)采用改變支架架型以適應(yīng)孤島工作面回采巷道側(cè)壓大的技術(shù)路線，最后選用曲腿三心拱U型鋼可縮性支架在15101采煤工作面下巷掘進(jìn)支護(hù)使用，15101采煤工作面下巷沿F502斷層煤柱布置，斷層煤柱寬度5～8m。通過(guò)實(shí)踐證明曲腿三心拱U型鋼可縮性支架抗側(cè)壓性能好，有效地解決了孤島工作面回采巷道側(cè)壓大，巷道側(cè)向變形破壞嚴(yán)重的難題，取得了顯著的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

半圓拱形可縮性支架的使用情況

直腿半圓拱形可縮性支架的使用情況。紅嶺礦15101采煤工作面煤層為單斜構(gòu)造，煤層傾角20白笥搖C翰愫穸？.34～6.46m，平均厚度6.4m，煤層容重1.32t/m3。煤層直接頂有數(shù)層巖層組成，偽頂為0.66m厚度的黑色泥巖，塊狀破碎；下位直接頂為淺黑色砂質(zhì)泥巖，厚度為1.3～2.0m，巖石成分以粘土為主，含少量砂質(zhì)，含大量較完整的植物化石，層理明顯；其上為裂隙發(fā)育的砂巖，厚度1.2～1.5m。上位直接頂為厚度6.65m的細(xì)粒砂巖與泥質(zhì)砂巖互層，成分以石英為主，其次為長(zhǎng)石，層面含炭質(zhì)及少量白云母片，局部含砂質(zhì)較少，有少量泥質(zhì)交錯(cuò)，層理明顯?；卷敒?.96m厚度的灰白色細(xì)粒砂巖，成份以石英為主，泥質(zhì)膠結(jié)，層面含炭質(zhì)及白云母片。煤層直接頂和基本頂巖石強(qiáng)度較高，整體屬于堅(jiān)硬巖石，其中直接頂單向抗壓強(qiáng)度為110.18～142.7MPa，內(nèi)聚力為27.68～44.89MPa，內(nèi)摩擦角為28.6～38.0埃換徑サハ蚩寡骨慷任？53.82～150.32MPa，內(nèi)聚力為37.4MPa，內(nèi)摩擦角為36.1??？

紅嶺礦15101采煤工作面上巷采用三節(jié)U29型直腿半圓拱形可縮性支架，半圓拱半徑2.1m，巷道凈寬4.2m，巷道凈高3.0m，巷道凈斷面積10.5m2，巷道掘進(jìn)斷面積12m2，棚距700mm。頂梁與柱腿搭接長(zhǎng)度400mm，頂梁與柱腿搭接部分用兩道卡箍連接，卡箍螺栓扭矩200～250N·M，頂幫用背板配合金屬網(wǎng)背幫護(hù)頂。支架間用三道連接板將支架連接為一個(gè)整體。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中收縮變形嚴(yán)重，掘進(jìn)15天以后，巷道凈寬收縮為3.6～3.8m，巷道凈高收縮為2.7～2.8m。隨著時(shí)間的推移，巷道進(jìn)一步收縮變形。

叉腿半圓拱形可縮性支架的使用情況。叉腿半圓拱形可縮性支架，半圓拱半徑1.8m，巷道拱基線凈寬3.6m，巷道底板處凈寬4.2m。巷道凈斷面11.5m2，巷道掘進(jìn)斷面13.5m2。同時(shí)將棚距縮小為600mm直至500mm。巷道掘進(jìn)3～5天后，巷道底板處凈寬收縮為3.6～3.7m，巷道凈高收縮為2.7～2.8m。隨著時(shí)間的推移，巷道進(jìn)一步收縮變形。15101上巷掘進(jìn)完成，巷道最窄處巷道凈寬為2.3m，凈高為3.4m。巷道變形較嚴(yán)重地段，巷道凈寬為2.7～2.8m，巷道凈高為2.6～2.7m。

礦山壓力顯現(xiàn)及巷道破壞原因

通過(guò)對(duì)紅嶺礦孤島工作面回采巷道掘進(jìn)工作面U型鋼可縮性支架變形破壞的觀察，支架破壞主要表現(xiàn)為柱腿向巷道里側(cè)彎曲變形，且柱腿有蹬腿現(xiàn)象，巷道明顯變窄，兩幫最大移近量為1.8m，支架頂梁向上凸起，變形嚴(yán)重，個(gè)別頂梁從頂部折斷，巷道高度變化不大，巷道斷面明顯縮小，不能滿(mǎn)足正常的生產(chǎn)需要，巷道內(nèi)所有支架都遭到不同程度的破壞。通過(guò)對(duì)支架破壞現(xiàn)象分析，判斷巷道以?xún)蓚?cè)的水平應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力為輔，支架承載的主應(yīng)力是巷道兩幫的側(cè)向壓力。

孤島工作面回采巷道圍巖壓力較大時(shí)，巷道兩側(cè)壓力先作用在支架柱腿上，支架柱腿受到擠壓逐漸向巷道中間發(fā)生位移變形，并向巷道空間內(nèi)彎曲，巷道兩幫位移量逐漸增大

曲腿三心拱形可縮性支架設(shè)計(jì)

為了從根本上解決問(wèn)題，通過(guò)對(duì)支架破壞的分析，我們總結(jié)直腿棚和叉腿棚應(yīng)用失敗的主要原因有：沒(méi)有正確的預(yù)測(cè)到巷道壓力，因是孤島工作面，起初預(yù)測(cè)巷道頂板壓力可能較大，因而設(shè)計(jì)用可縮性直腿棚支架。在得知巷道水平應(yīng)力大時(shí)，采用叉腿棚支護(hù)，但叉腿棚對(duì)付水平應(yīng)力是種硬支護(hù)，不可以讓壓以達(dá)到緩解壓力的作用。叉腿棚柱腿呈直線，與圓弧相比，抵抗壓力能力較差，易被壓彎。

對(duì)于以上巷道壓力變形分析，必須采取抵抗側(cè)應(yīng)力較好的支護(hù)，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了曲腿三心拱可縮性支架，該支架有四節(jié)組成，頂梁由兩節(jié)構(gòu)成，柱腿呈向巷道兩側(cè)拱起的圓弧形。基本參數(shù)如下：柱腿半徑為2500mm，長(zhǎng)為2680mm，頂梁半徑為2100mm，長(zhǎng)為2580mm，各節(jié)間搭接長(zhǎng)度為400mm，卡纜間距為200mm。支架凈寬4000mm。凈高為3000mm，具體情況如圖所示：

該種支架使用于圍巖壓力較大的情況，承載能力大，抗測(cè)壓能力較大。

支護(hù)理論與支護(hù)效果

曲腿三心拱可縮性支護(hù)理論：因支架有一定的可縮性，在受到圍巖應(yīng)力作用時(shí)，支架本身有一定的收縮變形，起到讓壓作用。由剛性支架支護(hù)變?yōu)槿嵝灾Ъ苤ёo(hù)，同時(shí)巷道輪廓圍巖結(jié)構(gòu)本身具有承載一定壓力的能力。曲腿的設(shè)計(jì)可是支架在抵抗側(cè)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)應(yīng)力，支架變形首先要克服這個(gè)預(yù)應(yīng)力，從而增大支架的抗側(cè)壓能力，減小支架變形。支架頂梁與柱腿采用切線連接，平滑過(guò)度，減少壓力集中點(diǎn)，防止支架有局部破壞引起整體破壞，進(jìn)一步提高支架抗壓能力。支架柱窩深度200mm，可有效防止柱腿受側(cè)壓影響插入巷道內(nèi)的現(xiàn)象，提高抗側(cè)壓能力。

自從應(yīng)用該支架支護(hù)巷道以后，巷道變形得到了有力的控制，巷道頂?shù)装逡平烤∮?00mm，而兩幫移近量也均小于500mm，支架變形后巷道斷面足可以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，不用再擴(kuò)修巷道。

15101孤島工作面回采巷道掘進(jìn)留設(shè)窄小煤柱，煤柱寬度5～8m，巷道處于側(cè)向支撐壓力的高應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖松動(dòng)范圍大于4m，造成巷道圍巖長(zhǎng)期處于流變狀態(tài)，受巷道掘進(jìn)的影響，巷道圍巖收斂速度增大，且兩幫移近量明顯大于頂?shù)装逡平?。整體來(lái)說(shuō)，巷道圍巖壓力較大，在這特定的條件下，采用三心拱曲腿可縮性支架有以下優(yōu)點(diǎn)：支架承載能力加大，特別是抗側(cè)壓能力較大。支架分四節(jié)制作，三處搭接，增加了支架的可縮性，從而增大了該種支架的支護(hù)適應(yīng)性。