深埋煤層沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域可縮性支架的應(yīng)用實(shí)踐

朱鵬程

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，山西 大同 037000）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王村礦位于山西省大同市云岡區(qū)王村街，生產(chǎn)能力100 萬(wàn)t/a。王村礦8128 工作面走向長(zhǎng)2027 m，傾向長(zhǎng)150 m，煤層埋藏深度為-707～ -879 m，經(jīng)鑒定煤層具有發(fā)生沖擊地壓的傾向性。8#煤層平均厚度為5.1 m，靠近F1 斷層防水煤柱線附近有9#煤，切眼至8#、9#煤聯(lián)采分界線長(zhǎng)度約700 m，8#、9#煤層平均間距為0.9 m，9#煤煤層平均厚度為4.2 m。

8128 工作面兩道采用矩形斷面設(shè)計(jì)，凈斷面尺寸（寬×高）=4.6 m×3.0 m=13.8 m2，采用錨網(wǎng)（索）支護(hù)。8#、9#煤聯(lián)采區(qū)域，頂煤平均厚度6.7～8.9 m，采取錨網(wǎng)索架支護(hù)。為了能確保沖擊地壓危險(xiǎn)性區(qū)域的支護(hù)可靠性和安全性，設(shè)計(jì)在該危險(xiǎn)性區(qū)域采用平頂形可縮性支架進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

2 平頂形可縮性支架工作原理分析

平頂形可縮性支架頂梁為礦用11#工字鋼、棚腿為礦用25U 型鋼加工而成，支架的承載能力取決于頂梁的抗彎強(qiáng)度。依據(jù)平頂形巷道頂板圍巖力學(xué)分布規(guī)律，假設(shè)頂板作用在頂梁上的載荷為均勻分布。

2.1 支架頂梁受力分析

礦用11#工字鋼材質(zhì)為20MnK，主要尺寸參數(shù)、力學(xué)性能為：h=110 mm，b=90 mm，d=9 mm；重量為26.1 kg/m；彈性模量200～220 GPa；屈服點(diǎn)σ≥355 s/MPa；抗拉強(qiáng)度σ≥510 b/MPa。

支架上的圍巖給予的力矩達(dá)到極限后，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致頂梁變形、破壞而失去承載力。如圖1 所示，根據(jù)受均布載荷梁的彎曲內(nèi)力計(jì)算公式，梁在X點(diǎn)處的彎矩為：

圖1 礦用11#工字鋼均布載荷受力分析圖

式中：Mmax為工字鋼頂梁受到的最大彎矩；q為均布載荷；l為工字鋼的凈跨長(zhǎng)度。

從礦用11#工字鋼彎矩受力分析圖（圖2）可知，在工字鋼中點(diǎn)截面上，沿中性軸上側(cè)工字鋼受壓應(yīng)力，下側(cè)受拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉應(yīng)力大于抗壓應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，工字鋼下側(cè)變形被破壞。最大正應(yīng)力計(jì)算公式為：

圖2 礦用11#工字鋼彎矩受力分析圖

式中：δmax為最大正應(yīng)力；Mmax為頂梁受到的最大彎矩；Wz為頂梁橫截面抗彎截面模量。式（1）代入式（2）得到頂梁所受均布載荷：

式中：δmax代入工字鋼的屈服極限，可求梁的使用載荷；Wz代入抗拉強(qiáng)度，可求梁的破壞載荷。

根據(jù)式（1）～（3），8128 溜子道錨架支護(hù)棚梁長(zhǎng)度取4.1 m、材質(zhì)20MnK 的11#礦用工字鋼，其屈服極限σs=355 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=510 MPa，Wz=1.134×10-6m4。

代入式（3）求得礦用11#工字鋼使用載荷為：

由上式計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，一架跨長(zhǎng)為4.1 m 的礦用11#工字鋼頂梁，達(dá)到屈服極限時(shí)，所受均布載荷約19.1 kN/m，整架載荷78.31 kN。

同理，由抗拉強(qiáng)度σb=510 MPa 可求破壞均布載荷為27.52 kN/m，總載荷約為112.8 kN。

2.2 支架可縮性腿受力分析

礦用25U 型鋼材質(zhì)為20MnK，重量24.76 kg/m，彈性模量200～220 GPa，屈服點(diǎn)σ≥355 s/MPa，抗拉強(qiáng)度σ≥510 b/MPa。

礦用25U 型鋼在可縮性支架設(shè)計(jì)中擔(dān)當(dāng)棚腿使用，其受力分布方式主要為頂、底板給予的軸向應(yīng)力，同時(shí)還具有巷幫給予的側(cè)向應(yīng)力?？煽s性支架棚腿不僅滿足頂?shù)装遢S向應(yīng)力支撐能力，同時(shí)受沖擊動(dòng)能影響還需給予一定的讓壓空間，讓壓后可滿足設(shè)計(jì)巷道空間需要，使其在可控范圍內(nèi)起到讓壓作用。為此，設(shè)計(jì)了可縮性棚腿：棚腿是由兩段25U 型鋼加工而成，其搭接長(zhǎng)度不少于500 mm，采用兩幅卡纜板、4 根法蘭螺母緊固固定?？ɡ|板采用不低于U 型支架型鋼機(jī)械性能的Q235 低碳鋼，成型配M24×100 梅花螺栓、平墊片、彈簧墊、法蘭螺母緊固件，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不低于MT326-93 標(biāo)準(zhǔn)要求。卡纜板中心距為300 mm。

25U 型鋼接頭工作阻力由基本阻力和附加阻力疊加而成。當(dāng)軸向應(yīng)力較大時(shí)，允許25U 型鋼在一定可控范圍內(nèi)變形，起到讓壓的支撐效果。為保證25U 型鋼軸向支撐力支撐強(qiáng)度與讓壓能力，進(jìn)行了受力強(qiáng)度分析試驗(yàn)。結(jié)果顯示：第一組棚腿螺帽預(yù)應(yīng)力扭矩200 N·m，軸向壓力217.6 kN、300.5 kN發(fā)生位移；第二組棚腿螺帽預(yù)應(yīng)力扭矩150 N·m，軸向壓力為32.5 kN、392 kN 發(fā)生位移；第三組棚腿螺帽預(yù)應(yīng)力扭矩100 N·m，軸向壓力為159 kN、182.4 kN 發(fā)生位移。

試驗(yàn)表明，當(dāng)法蘭螺母扭矩力達(dá)到100 N·m 時(shí)，其軸向壓力發(fā)生位移，大于礦用11#工字鋼承受能力總載荷112.8 kN。

為確保支護(hù)強(qiáng)度與位移量，綜合上述理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取可縮性棚腿法蘭螺母扭矩150 N·m。為解決巷幫側(cè)向?qū)煽s性棚腿壓力，同樣設(shè)計(jì)了讓壓限位裝置。在棚梁與棚腿連接處安裝由球墨鑄鐵加工而成的橫梁鎖緊件，配置M24×100 梅花螺栓、平墊片、彈簧墊、法蘭螺母緊固件，螺帽扭矩不小于100 N·m。為防止棚腿牙口無(wú)節(jié)制向巷中進(jìn)行滑移，距離棚梁牙口100 mm 位置焊接Ф10 mm 螺紋鋼，確保棚腿限位滑移不大于100 mm，在對(duì)巷幫讓壓的前提下確保巷道有效斷面處于可控范圍內(nèi)。為提高棚梁的承載強(qiáng)度，在梁中位置增加一根可縮性點(diǎn)柱。

3 巷道支護(hù)方案的確定

8128 工作面8#、9#煤層聯(lián)采區(qū)域，掘進(jìn)巷道頂煤煤層疊加厚度6.7～8.9 m，存在斷層構(gòu)造、褶曲發(fā)育混亂等復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域，且賦存埋藏較深，煤層具有沖擊地壓的傾向性，掘進(jìn)過(guò)程煤炮頻繁，完全依靠錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道圍巖出現(xiàn)了鼓幫鼓頂變形，不能控制圍巖有效的變形量。礦井生產(chǎn)接續(xù)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上安排較為緊湊，若支護(hù)不合理造成巷道嚴(yán)重變形甚至發(fā)生局部冒頂事故，需重新投入大量的人力、物力、財(cái)力等返工勞動(dòng)，延緩礦井采掘接續(xù)時(shí)間，甚至發(fā)生接續(xù)脫節(jié)的背頂局面，不利于礦井的高產(chǎn)高效。為提高支護(hù)強(qiáng)度，確保巷道變形量在可控范圍內(nèi)，采取了錨網(wǎng)索與可縮性支架聯(lián)合支護(hù)的工藝方式[1-2]。

根據(jù)8128 綜放工作面錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算可知：巷道斷面頂部選用公稱直徑Ф=22 mm 高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度2.4 m，錨桿間距840 mm，錨桿排距800 mm，錨固力不小于64 kN；兩幫選用公稱直徑Ф=22 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.2 m，錨桿間距為850 mm、排距為800 mm，錨固力不小于30 kN。支護(hù)斷面示意圖如圖3。

圖3 支護(hù)斷面示意圖

考慮到8128 工作面相關(guān)區(qū)域8#、9#煤聯(lián)采、溜子道埋深大、井下施工復(fù)雜性和地質(zhì)條件多變以及回采壓力較大等因素，決定選取錨索長(zhǎng)度為7.2 m，每排布置2 根錨索，錨索排距為2.4 m，間距為2.52 m。頂板鋼帶梁采用扁鐵鋼帶梁，規(guī)格為L(zhǎng)DT/4200×170×5/30/670/350，巷幫為圓鋼鋼帶梁，規(guī)格為L(zhǎng)DT3800×60/850/10/350。頂網(wǎng)為方格鋼絲網(wǎng)，規(guī)格為WH440×950/70×70/4.5/780，巷幫為菱形鐵絲網(wǎng)，WL3700×980/50×50/3/300。可縮性支架支護(hù)斷面如圖4， 排距與錨桿排距相同，棚子與錨桿錨茬400 mm處布置。11#工字鋼棚梁長(zhǎng)4.1 m，25U 型鋼棚腿長(zhǎng)3.4 m，架設(shè)支架棚上寬4.1 m，下寬5.4 m，巷道凈高度3.2 m。

圖4 平頂形可縮性支架支護(hù)斷面

4 應(yīng)用觀測(cè)分析

為檢驗(yàn)平頂形可縮性支架在聯(lián)合支護(hù)中的應(yīng)用效果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的支架定期進(jìn)行變形量觀測(cè)。每五架棚子編為一組，在可縮性棚腿搭茬上側(cè)500 mm為基準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)記白色噴漆三角符號(hào)觀測(cè)位移量。棚梁橫梁鎖緊件距離限位螺紋鋼間距均為150 mm，其觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 可縮性支架變形量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)（單位：mm）

由表1 可知，可縮性支架在支護(hù)狀態(tài)下受圍巖來(lái)壓的影響，棚腿、棚梁可縮性構(gòu)件基本上都發(fā)生了位移，起到了讓壓的效果。同時(shí)，對(duì)圍巖支護(hù)來(lái)壓的煤炮頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)表明，隨著煤炮頻次的數(shù)量增加，其可縮性變化周期縮短、變形量增大。

5 結(jié)論

以王村礦8128 工作面深埋煤層沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)閷?duì)象，可縮性支架的聯(lián)合應(yīng)用，在提高巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度的前提下，又可讓巷道在一定可控范圍內(nèi)發(fā)生變形量，起到了巷道讓壓作用，確保了巷道有效的支護(hù)斷面，避免了重新開掘巷道、巷道重新修護(hù)的重復(fù)勞動(dòng)及施工，提高了安全性與經(jīng)濟(jì)性。