U29型鋼棚支護(hù)在蘆嶺煤礦的應(yīng)用分析

王 科

（淮北礦業(yè)集團(tuán) 蘆嶺煤礦 掘進(jìn)三區(qū)，安徽 淮北 235000）

U29型鋼棚支護(hù)在蘆嶺煤礦的應(yīng)用分析

王 科

（淮北礦業(yè)集團(tuán) 蘆嶺煤礦 掘進(jìn)三區(qū)，安徽 淮北 235000）

煤炭開采中遇到的最重要的問題之一就是巷道支護(hù)，它影響著煤礦開采向縱深發(fā)展以及安全生產(chǎn)。本文首先分析了U型棚支護(hù)的工作原理，緊接著對U型棚的破壞特征做出了分析介紹，最后介紹了U29型鋼拱形支架及其在蘆嶺煤礦的應(yīng)用。

支護(hù)；U29型鋼拱形支架；安全

0 引言

隨著煤炭開采越來越向深部發(fā)展,深部巷道支護(hù)問題越來越突出,各個(gè)礦務(wù)局在巷道支護(hù)中也越來越多的使用U型鋼支架,但就其在使用過程中存在的問題也越來越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國目前煤炭開采每年開巷掘進(jìn)大約以6000千米的速度推進(jìn),由于深部巷道支護(hù)存難度較大,大約有100千米/年的巷道需要返修、維護(hù),其中大多巷道使用的U型鋼遭到了不同程度的破壞,給礦山的經(jīng)濟(jì)效益帶了巨大的損失,所以能否解決好深部巷道的支護(hù)等問題,是我國煤炭開采向縱深發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

兩淮礦區(qū)U型鋼支架的用量隨著開采深度和巷道圍巖壓力的增加也逐年增長,U型鋼支架是通過構(gòu)件間可縮和彈性變形來調(diào)節(jié)載荷,同時(shí)在支架讓壓和變形過程中,保持著對圍巖較大的阻力,能適應(yīng)較大的圍巖變形和壓力變化。u型鋼可縮性支架以其具有較高的初撐力,增阻速度快,支護(hù)強(qiáng)度大和具有一定可縮性等優(yōu)點(diǎn),也被廣泛應(yīng)用于煤礦的主要巷道支護(hù)和一些公路隧道軟弱破碎圍巖段的初次襯砌。但是在實(shí)際工程中,由于壁后空洞的存在和圍巖破碎等因素,造成支架與圍巖之間接觸狀態(tài)差,支架受力不均勻,出現(xiàn)偏載,經(jīng)常在集中荷載的作用下使U型鋼支架受到不同程度的破壞,甚至失去作用,導(dǎo)致整體支護(hù)效果不佳,給工程造成很大的損失。因此,研究U型鋼可縮性支架支護(hù)性能,提高U型鋼支架的支護(hù)技術(shù)水平是解決這些問題的有效途徑,對推廣其進(jìn)一步發(fā)展利用有著很重要的意義。

1 U型棚支護(hù)工作原理

U型鋼可縮性支架的工作特點(diǎn)是：u型鋼支架通過連接件鎖緊后,支架節(jié)間連接段的型鋼受到壓緊,產(chǎn)生預(yù)緊力。當(dāng)圍巖作用于支架上的壓力若要推動(dòng)支架連接部分滑動(dòng),就要克服搭接部位型鋼與型鋼之間、型鋼與連接件之間的摩擦阻力,這個(gè)壓力就要達(dá)到某一限度,但是也必須要小于支架的承載能力。當(dāng)巷道圍巖變形促使支架承受載荷達(dá)到極限時(shí),支架內(nèi)力也隨之增大當(dāng)軸力推動(dòng)型鋼搭接部位滑移時(shí),過大的內(nèi)力使得連接件發(fā)生歪斜,并出現(xiàn)變形,此時(shí)彎矩就造成支架的撓曲。

當(dāng)型鋼滑移后,支架曲率半徑減小,連接件與型鋼之間的壓力增大,這就產(chǎn)生了附力11壓緊力。隨著巷道圍巖持續(xù)變形,支架荷載和其內(nèi)力也不斷增加,當(dāng)支架節(jié)間搭接處的軸力大于卡纜預(yù)緊力引起的型鋼之間或型鋼與連接件之間的摩擦力時(shí),型鋼之間產(chǎn)生相對滑動(dòng),支架縮短。支架收縮后,支架承受的外載就減少了。當(dāng)軸力小于摩擦力時(shí),支架不收縮,與荷載處于相對平衡狀態(tài)。如果巷道圍巖繼續(xù)變形,支架荷載與內(nèi)力又進(jìn)一步增加,型鋼連接處又產(chǎn)生滑動(dòng),如此往復(fù)進(jìn)行。隨著支架的收縮,附加壓緊力一次比一次加大,這樣也就導(dǎo)致支架工作阻力隨之增加。

U型鋼支架通過構(gòu)件間的可縮和彈性變形來調(diào)節(jié)支架承受載荷,同時(shí)在支架變形和可縮過程中保持對圍巖的支護(hù)阻力,同時(shí)支架仍然保持較高的承載能力,促使圍巖應(yīng)力狀態(tài)趨于平衡,具各適應(yīng)巷道圍巖較大變形和壓力變化的能力,是軟巖巷道中一種較為常用的支護(hù)形式,但是在深部大斷面巷道中普遍存在支架承載能力尚未得到充分發(fā)揮便遭到屈服和破壞。

2 U型棚的破壞特征

蘆嶺礦三水平軌道上山使用的U型鋼在不均勻載荷的作用下,支架常出現(xiàn)以下幾種破壞形式：(1)拱頂壓平,而兩側(cè)(或一側(cè))向外凸出當(dāng)支架頂部承載而肩部存在空隙時(shí),拱頂向下位移,而兩側(cè)肩部凸向圍巖；(2)尖桃型破壞，這種破壞形式在煤布、井下較為常見,主要原因是拱頂存在較大空隙時(shí),在側(cè)向壓力作用下,拱頂向上突起,形成尖桃型破壞；(3)扭曲和傾倒型破壞，支架一側(cè)與巷道圍巖接觸、側(cè)壓較大,而另一側(cè)壓力較小,在接觸一側(cè)外載荷的作用下,支架不接觸側(cè)向上拱起,發(fā)生扭曲變形。

3 U29型鋼拱形支架及其在蘆嶺煤礦的應(yīng)用

U型鋼可縮性支架搭接部分一般由上型鋼、下型鋼和卡纜組成,而卡纜形式有多種多樣,蘆嶺礦使用卡纜是典型的雙槽夾板卡纜是由上槽形板、下槽形板和螺栓組成。U型鋼可縮性支架搭接部分各構(gòu)件之間的傳力支架縮動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù),因此,研究其傳力特點(diǎn)是非常有意義的。搭接部分各構(gòu)件之間的傳力是空間問題,但如果將U型鋼可縮性支架作為平面問題研究,則搭接部分各構(gòu)件間的傳力可分為平面外傳力和平面內(nèi)傳力兩部分。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的U型鋼有U25、U29和U36三種規(guī)格。其中,U25為腰定位式的,即兩節(jié)U25型鋼搭接在一起時(shí),其接觸部位是在U25型鋼橫截而上的腰部,而U29和U36為耳定位式的。蘆嶺礦使用的U29型鋼支架是耳定位式。

1）從蘆嶺礦三水平軌道上山使用的U29型鋼拱形支架數(shù)值模擬結(jié)果來看,在均勻載荷作用下,①無論是環(huán)形支架還是直墻半圓拱形支架,應(yīng)力集中均出現(xiàn)在搭接處,但是環(huán)形支架搭接處的應(yīng)力集中要小于拱形支架,因?yàn)榄h(huán)形直接三個(gè)方向的應(yīng)力最大值和最小多集中在搭接處,部分相互抵消,使搭接處總應(yīng)力降低,表明環(huán)形支架的結(jié)構(gòu)受力情況比直墻半圓拱形支架要好；②環(huán)形支架的最大位移和最大應(yīng)變都遠(yuǎn)小于拱形支架,表明環(huán)形支架有更好的抗變形能力,這就說明環(huán)形支架的支護(hù)性能要優(yōu)于直墻半圓拱形支架。

2）在不均勻載荷作用下,模擬了直墻半拱形支架的幫部、肩部和拱部分別受大小不一的力作用時(shí)和情況,模擬的結(jié)果和支架力學(xué)分析基本吻合,支架的幫部較為脆弱,在不均勻載荷作用下,幫部出現(xiàn)破壞的概率最大,加強(qiáng)幫部的支護(hù)是非常重要的。拱部發(fā)揮承載能力在整個(gè)支架的三個(gè)部分是最大。肩部還是要提高卡纜的質(zhì)量來應(yīng)對應(yīng)力集中,這和均勻載荷時(shí)一致的。

3）蘆嶺礦從經(jīng)濟(jì)角度來出發(fā),比較了拱形支架和環(huán)形支架的價(jià)格和支護(hù)面積,拱形支架優(yōu)于環(huán)形支架,在面積大小幾乎相等的情況下,開挖巖體的范圍,拱形支架3.6×3.49m,環(huán)形支架3.75×3.75m,支架長度拱形支架位8.98m,環(huán)形支架為11.62m,。拱形支架的斷面利用率和支架成本,以及安設(shè)支架的方便程度和對圍巖破壞程度優(yōu)于環(huán)形支架。

4）蘆嶺礦通過一段時(shí)間施工安裝,總結(jié)了實(shí)際施工過程中呈現(xiàn)的一些問題,工作人員一致認(rèn)為直墻半拱形支架較好,拱形支架雖然受力性能不如環(huán)形支架,但是它允許支架巷道斷面有較大的變形,有很好的控制頂部和側(cè)幫變形的能力。在圍巖變形量較大的巷道中使用拱形支架有很大的優(yōu)越性,但是使用時(shí)要注意支架的的接觸情況,可以采取壁厚充填措施來改善支架的受力條件,直墻半圓拱形支架良好的結(jié)構(gòu)性能為其提供了很好的應(yīng)用潛能,在巷道支護(hù)中是很有支護(hù)前景的支護(hù)形式之一。

4 結(jié)語

長期以來,巷道支護(hù)是蘆嶺煤礦生產(chǎn)中的難題,該礦是地壓大、高深度開采的礦井,而且在進(jìn)行三水平開采時(shí),深部大斷面巷道支護(hù)問題尤為突出,U型鋼支架破壞嚴(yán)重,因此,三水平深部大斷面巷道支護(hù)形式選擇的正確與否直接影響深部三水平巷道支護(hù)的成敗。解決好蘆嶺煤礦深部大斷面巷道的支護(hù)問題是該礦開采向縱深發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,同時(shí)對國內(nèi)外其他深部大斷面巷道支護(hù)技術(shù)研究也能提供借鑒作用。

[1]袁亮.深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區(qū)工程實(shí)踐〔M」.北京：2006

[2]袁亮,孫茂遠(yuǎn)等.煤礦瓦斯治理與利用總體方案[Z].北京：2005

[3]徐永折.煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999,8：211ˉ218